INTRODUCCION
Los Hidrocarburos son compuestos orgánicos constituidos por átomos de Carbono y Oxigeno, los cuales se combinan de maneras diferentes formando sustancias que varían desde el gas Metano hasta sustancias compleas! El petróleo es es un eemplo de esta me"cla de hidrocarburos de diferentes tipos, los cuales despu#s de ser extraídos son sometidos a procesos de separaci$n! La historia del %etr$leo nos dice que podemos encontrarlo en algunas rocas que constituyen la corte"a terrestre, como es el caso de rocas sedimentarias donde existen espacios porosos capaces de aloar Hidrocarburos! &n 'reniscas y Cali"as estos poros son numerosos e interconectados! ' estas rocas se les conoce como Reservorios !
(urante millones de a)os el %etr$leo migra a trav#s del *eservorio hasta que encuentra una roca sello la cual impide su movimiento y empie"a a acumularse, produci#ndose de esta manera una Trampa. La locali"aci$n de estas +rampas por dife difere rent ntes es m#to m#todo doss como como leva levant ntam amie ient ntoo a#re a#reo, o, ex expl plor orac aci$ i$nn ge geol ol$g $gic icaa y exploraci$n geofísica, constituyen el paso inicial y necesario para poder tomar la determinaci$n de perforar un po"o y verificar la existencia de %etr$leo o as y luego extraerlo! La perforaci$n de po"os es conocida desde hace siglos! -a para el a)o ..// (!C! se habían reali"ado en China po"os de 01// pies de profundidad para la extracci$n de salmueras, utili"ando el m#todo de percusión o golpeteo ! Luego para el a)o .2// se implemento el método Rotatorio , el cual utili"a un equipo especial llamado +aladro de %erforaci$n, constituido por una serie de accesorios que han sufrido
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grandes modificaciones a trav#s del tiempo, reduciendo de esta forma los tiempos y costos involucrados en este proceso! &l m#todo rotatorio se caracteri"a por dos elementos principales3 la mecha de perforaci$n actuando contra la formaci$n y avan"ando a trav#s de ella, y la util utili" i"aci aci$n $n de un fluido que permita la limpie"a de los recortes hechos por la mecha! &n un comi comien" en"oo 4.2/.5. 4.2/.5.26 26.7, .7, el flui fluido do esta estaba ba cons consti titu tuid idoo por por agua agua más más los los minerales que aportaban las formaciones atravesadas, sin ning8n tipo de control por carecer de equipos para observar su comportamiento! &l 8nico aditivo utili"ado era el agua! agua! ' este fluido fluido se se le dio el nombre nombre de odo y y se defini$ como3 !"e#cla de
agua
con
arc arcilla
$ue
permanece
suspen pendida
durante
un
tiempo
considera%le&.
(esde .26. hasta el presente, se comien"an a controlar las propiedades del lodo de perforaci$n!, introduci#ndose el uso de materiales densificantes como 9ulfato de :ario, Oxido de Hierro, Oxido de %lomo, Materiales viscosificantes y de suspensi$n como la :entonita! &s para .20. cuando se introduce el uso del embudo embudo Marsh, del ;iscosímetro 9tormer y t#cnicas de preparaci$n y mantenimiento del lodo, para mediciones reol$gicas y no es hasta .20< cuando se introduce el uso del filtro5prensa para determinar propiedades de filtraci$n! &n la actualidad, el estudio de los fluidos de perforaci$n se ha intensificado, desde el desarrollo de equipos sofisticados, con alta sensibilidad para determinar propiedades del lodo y formulaci$n de nuevos sistemas acorde con las nuevas t#cnicas de perforaci$n, con la 8nica finalidad de poder reali"ar la b8squeda de los Hidrocarburos de una meor forma, en menor tiempo y al menor costo c osto posible!
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grandes modificaciones a trav#s del tiempo, reduciendo de esta forma los tiempos y costos involucrados en este proceso! &l m#todo rotatorio se caracteri"a por dos elementos principales3 la mecha de perforaci$n actuando contra la formaci$n y avan"ando a trav#s de ella, y la util utili" i"aci aci$n $n de un fluido que permita la limpie"a de los recortes hechos por la mecha! &n un comi comien" en"oo 4.2/.5. 4.2/.5.26 26.7, .7, el flui fluido do esta estaba ba cons consti titu tuid idoo por por agua agua más más los los minerales que aportaban las formaciones atravesadas, sin ning8n tipo de control por carecer de equipos para observar su comportamiento! &l 8nico aditivo utili"ado era el agua! agua! ' este fluido fluido se se le dio el nombre nombre de odo y y se defini$ como3 !"e#cla de
agua
con
arc arcilla
$ue
permanece
suspen pendida
durante
un
tiempo
considera%le&.
(esde .26. hasta el presente, se comien"an a controlar las propiedades del lodo de perforaci$n!, introduci#ndose el uso de materiales densificantes como 9ulfato de :ario, Oxido de Hierro, Oxido de %lomo, Materiales viscosificantes y de suspensi$n como la :entonita! &s para .20. cuando se introduce el uso del embudo embudo Marsh, del ;iscosímetro 9tormer y t#cnicas de preparaci$n y mantenimiento del lodo, para mediciones reol$gicas y no es hasta .20< cuando se introduce el uso del filtro5prensa para determinar propiedades de filtraci$n! &n la actualidad, el estudio de los fluidos de perforaci$n se ha intensificado, desde el desarrollo de equipos sofisticados, con alta sensibilidad para determinar propiedades del lodo y formulaci$n de nuevos sistemas acorde con las nuevas t#cnicas de perforaci$n, con la 8nica finalidad de poder reali"ar la b8squeda de los Hidrocarburos de una meor forma, en menor tiempo y al menor costo c osto posible!
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'unciones principales de los fluidos de (erforación) Transportar los recortes *ripios+ de perforación , los derrum%es de las paredes del po#o hasta la superficie !
La mecha a trav#s trav#s de su paso por las difere diferente ntess formac formacion iones es existent existentes es en el subsuelo, va produciendo gran cantidad de recortes en volumen equivalente al diámetro de la misma! 'demás, de estos ripios el hoyo perforado perforado sufre derrumbes de sus paredes, bien sea por inestabilidad de la formaci$n 4Lutitas7, o producido por efecto del contacto de la tubería de perforaci$n y ensamblae de fondo con las paredes del po"o! &stos recortes y derrumbes poseen una gravedad específica que los hace más pesados que el fluido de perforaci$n y por lo tanto están sometidos a la fuer"a de gravedad y tienden a caer c aer hacia el fondo del po"o! %ara poder vencer esta fuer"a de caída, se requiere que el fluido de perforaci$n posea una velocidad suficiente para vencer la velocidad de caída de los ripios y derrumbes! 9i el po"o no es limpiado en form formaa apro apropia piada, da, este este mate materi rial al se acumu acumular laraa en el espac espacio io anular anular ocas ocasio ionan nando do problemas de aumento de la torsi$n, del arrastre y de la presi$n hidrostática! 'demás, puede originar pega de tubería, reducci$n de la tasa de penetraci$n y posibles p#rdidas de circulaci$n inducidas!
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Transmisión de energ-a o potencia hidrulica so%re la formación a través de la mecha
(urante el proceso de circulaci$n el lodo va a trav#s del interior de la tubería de perforaci$n hasta la mecha donde es expulsado por los =ets o boquillas a gran
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velocidad, produciendo una fuer"a hidráulica debao de la mecha la cual es la encargada de remover constantemente los recortes hechos por la misma y poder enviarlos a la superficie! La no remoci$n de estos recortes o ripios puede ocasionar serios problemas como la reducci$n de la vida 8til de la mecha, baas tasas de penetraci$n, etc! %ara lograr una eficiente remoci$n de estos recortes, es necesaria una buena planificaci$n a trav#s del cálculo del tama)o de las boquillas a usar, las propiedades físicas del lodo de perforaci$n, con la finalidad de obtener la velocidad optima de salida! &sta fuer"a hidráulica del lodo es de vital importancia en el caso de que se est#n utili"ando en el po"o Motores de >ondo, en el caso de perforaci$n direccional u hori"ontal, ya que la misma es la que va a ser girar la mecha directamente!
•
/uspensión de recortes0 derrum%es , material densificante al detener la circulación.
'l momento de detener la circulaci$n del lodo, la fuer"a con la cual se están elevando las partículas en el espacio anular se hace cero! %or efecto de la gravedad y el peso de estas partículas, las mismas tenderán a caer hacia el fondo del po"o! %ara evitar esto el fluido de perforaci$n debe tener la capacidad de formar una estructura de gel al estar en reposo e igualmente al iniciar el movimiento por reinicio de la circulaci$n, el fluido debe recuperar su fluide" en forma rápida! &sta propiedad evita la ocurrencia de problemas operacionales como pega de tubería, perdidas de circulaci$n inducidas, arrastre y además es factor determinante en la perforaci$n de po"os altamente inclinados y hori"ontales, donde la deposici$n de ripios uega papel importante para el #xito de la misma! &s de gran importancia tambi#n la suspensi$n de material densificante 4:arita, Hematita, etc!7, para poder mantener una presi$n hidrostática constante a trav#s de toda la columna! 4
•
Enfriamiento de la mecha , sarta de perforación
La mecha en su contacto con la formaci$n genera calor por efecto de la fricci$n! &ste calor debe ser absorbido por el fluido de perforaci$n y ser llevado hasta la superficie a trav#s del espacio anular! 'demás, es sabido que tanto la mecha, la sarta de perforaci$n y el revestimiento, están sometidos constantemente a rotaci$n y contacto! 'lgunas partículas contenidas en el lodo por su disposici$n sobre las paredes del po"o disminuyen la fricci$n y la abrasi$n! &n algunos casos se a)aden materiales especiales para meorar sus propiedades lubricantes 4asoil, petr$leo7, los cuales prolongarán la vida de la mecha, de la tubería de perforaci$n por reducci$n de la torsi$n y arrastre, menor presi$n de bombeo y menor desgaste a la tubería de revestimiento!
•
/uspensión de las tu%er-as de perforación , revestimiento
&l equipo de perforaci$n está constantemente sometido a grandes esfuer"os por efecto principalmente del peso de la tubería de perforaci$n y del revestimiento! &n la mayoría de los casos, este proceso puede exceder las 0// +oneladas! &l peso de estas tuberías esta parcialmente sostenido por el empue ascendente del fluido de perforaci$n 4%rincipio de 'rquímedes7! &sta presi$n ascendente depende de la presi$n eercida por el fluido sobre la secci$n transversal! &l peso de la sarta de perforaci$n y de la tubería de revestimiento en el fluido, es igual al peso de la misma en el aire multiplicado por un factor de flotación ! &xiste una relaci$n inversa que se cumple3 a mayor densidad del lodo, disminuye el peso de la tubería! La ecuaci$n que rige el factor de flotaci$n es la siguiente3 'f 1 2 3 *4.425 6 Densidad del fluido+
*pg+
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•
Controlar las presiones de formación
&l agua y los Hidrocarburos contenidos en el subsuelo están en la mayoría de los casos bao presi$n! 'l momento de perforar un po"o se están perturbando las condiciones naturales del yacimiento y por ende la de los fluidos entrampados en #l, los cuales por diferencia de presi$n tratarán de salir incontroladamente a superficie! &l fluido de perforaci$n debe proporcionar la presi$n necesaria para contrarrestar este fluo de fluidos provenientes de la formaci$n a trav#s de la presión hidrosttica eercida por el lodo sobre las paredes del po"o! &sta presi$n dependerá
de la densidad del lodo y de la altura de la columna de fluido! &l no detectar a tiempo estas presiones, puede originar 7rremetidas0 las cuales se pueden convertir en Reventones causando grandes y graves problemas!
•
/ostener las paredes del po#o
'l penetrar una formaci$n se suprime parte del apoyo lateral que ofrecen las paredes del po"o! &l fluido de perforaci$n debe servir de sostén de las mismas hasta que se introdu"ca la sarta de revestimiento en el hoyo, de lo contrario, la formaci$n caerá en el interior del po"o 4derrumbes7!
(ependerá entonces del tipo de
formaci$n a atravesar para poder saber cuales condiciones del lodo deben ser tratadas con la 8nica finalidad de proporcionar un buen sost#n por parte del fluido! &n formaciones muy firmes se necesita poco sost#n? si la formaci$n es moderadamente firme, la densidad del lodo puede brindar un apoyo suficiente! &n formaciones no consolidadas y d#biles, el fluido puede ser suficientemente denso pero además debe tener la capacidad de formar una capa delgada pero consistente de partículas llamada Revo$ue sobre las paredes del hoyo! 6
•
"edio adecuado para el perfila8e por ca%les
&l fluido de perforaci$n debe poseer buenas condiciones de conductividad de electricidad y que sus propiedades el#ctricas sean diferentes a la de los fluidos de la formaci$n, para poder reali"ar el perfilae o *egistros &l#ctricos al po"o! &s importante entonces que durante el proceso de perforaci$n exista la menor cantidad de fase liquida del lodo invadiendo la formaci$n, para así evitar en lo posible el da9o a la formación y el resultado no confiable del perfilae! @gualmente, el lodo no debe
erosionar las paredes del po"o ya que los resultados tambi#n se van a ver influenciados por este motivo! &n la actualidad, se utili"an una serie de equipos de medici$n instantánea, tanto de los parámetros de perforaci$n en si como de perfilaes durante la perforaci$n 4MA(, LA(7, cuyos resultados proporcionan al @ngeniero, las herramientas necesarias para optimar el proceso de perforaci$n y que sin unas buenas condiciones del lodo, será imposible su aplicaci$n!
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Estas funciones primordiales de los fluidos de perforación se pueden reali#ar si se trata de minimi#ar los siguientes efectos colaterales o secundarios) •
Da9o a las formaciones potencialmente productivas.
Los fluidos de perforaci$n en su gran mayoría alteran las características originales de la formaci$n más cercana a la cara del po"o! 'lgunas de estas formaciones son más sensibles que otras e igualmente algunos fluidos causan mas da)o que otros! &l da)o a las formaciones productivas puede ser el resultado del taponamiento f-sico por s$lidos inertes o reacciones químicas entre los componentes del fluido y los de la formaci$n! &l po"o puede hacerse inestable por efecto de reacciones químicas 4Lutitas Hidr$filas7 o por efecto de erosi$n física, para lo cual habrá de utili"arse fluidos especialmente tratados y específicamente dise)ados para estos casos!
•
Corrosión de la sarta de perforación , tu%er-a de revestimiento.
%or su composici$n química, los fluidos de perforaci$n pueden crear un ambiente corrosivo para los tubulares de acero empleados en la perforaci$n de un po"o! 9in embargo, este efecto puede ser reducido a un mínimo por medio de tratamientos químicos adecuados del fluido a emplear, como es el caso de fluidos que usan petr$leo o gasoil los cuales lo hacen no corrosivo!
•
Reducción de la tasa de penetración.
La diferencia entre la presi$n hidrostática del fluido y la presi$n de formaci$n afecta la velocidad de penetración de la mecha! 9i la densidad del fluido es mucho mayor que el gradiente de presi$n de la formaci$n, se obtendrán menores
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velocidades de penetraci$n! Bna cantidad excesiva de s$lidos y altas viscosidades tambi#n son factores que disminuyen la velocidad de penetraci$n!
•
(resiones de succión0 pistón , de circulación
Los problemas con estas presiones pueden ser causados al no controlar $ptimamente ciertas propiedades del lodo como viscosidad, resistencia de gel o exceso de s$lidos! 9i se tiene un revoque demasiado grueso, el diámetro del po"o se reduce, lo que determina un deficiente control de la perdida de fluidos! %resiones de succión excesivas aumentan el riesgo de una surgencia y las posibilidades de una arremetida! Bna presi$n de circulaci$n alta puede causar problemas de p#rdida de circulaci$n! Bna alta concentraci$n de s$lidos reduce la energía hidráulica disponible a nivel de la mecha, aumenta el desgaste de la bomba y en algunos casos puede hacerse imbombeable!
•
(érdidas de circulación.
&l costo total de un po"o se ve afectado por la existencia de p#rdidas de circulaci$n del fluido de perforaci$n, aumentando el costo del mismo y originando una situaci$n de arremetida! La p#rdida de circulaci$n se produce cada ve" que la presi$n eercida por el fluido contra la formaci$n excede la resistencia de la formación ! >luidos con alta densidad pueden dar como resultado presiones excesivas, igualmente alta viscosidad y gran resistencia de gel pueden crear presiones demasiado elevadas en el interior del po"o durante la circulaci$n, al iniciarla o mientras se esta efectuando un viae en el po"o
9
•
Erosión de las paredes del po#o.
La erosi$n de las paredes del po"o dificulta la evaluaci$n del mismo a trav#s del perfilae por cables! La erosi$n puede ser física o química, la física puede reducirse a un mínimo al controlar la velocidad anular 4moderadamente baa7! La erosi$n química depende de las reacciones químicas entre los componentes del fluido y los de la formaci$n, por lo que deben dise)arse sistemas de lodo acordes con el tipo de formaci$n a perforar!
•
Retención de sólidos indesea%les por el fluido en los tan$ues.
& l desarrollo de una estructura
de gel suficiente como para suspender los s$lidos
generados durante la perforaci$n debe ser característica primordial de los fluidos de perforaci$n! 'l llegar estos s$lidos indeseables a superficie, deben ser separados del fluido bien sea una parte de ellos por decantaci$n o sedimentaci$n en tanques especiales y los otros s$lidos mediante la utili"aci$n de equipos especiales de control de s$lidos! Los s$lidos abrasivos contenidos en los fluidos de perforaci$n pueden causar desgastes excesivos en partes de las bombas de lodo y de otros equipos con los cuales entra en contacto! La arena por eemplo es el más abrasivo de los s$lidos que se incorpora al lodo durante la perforaci$n? la misma debe ser detectada por procedimientos de laboratorio, hacerse sedimentar o bien removerse por medios mecánicos!
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•
Contaminación con lechadas de cemento.
La cementaci$n de po"os es otra de las etapas durante el proceso de perforaci$n! 'lgunos fluidos $ptimos para perforar son incompatibles con las lechadas de cemento utili"adas para cementar el revestimiento! &stos fluidos deben separarse del cemento mediante el uso de espaciadores! •
Resistencia e6ternas.
a
posi%les
contaminaciones
derivadas
de
fuentes
&l fluido de perforaci$n debe ser capa" de resistir contaminaciones provenientes de las formaciones penetradas, de los líquidos y gases contenidos en las mismas y de cualquier material a)adido al sistema durante las operaciones de perforaci$n! Los s$lidos de perforaci$n constituyen el principal contaminante? otros contaminantes pueden ser los cationes de agua de formaci$n 49odio, Calcio, Magnesio, etc!7, materiales a)adidos como cemento, gases como el CO 6 y H 69 atrapados en la formaci$n! %ara determinar el grado de contaminaci$n basta un análisis al filtrado del lodo y dependiendo del mismo, si es muy seria la contaminaci$n, debe convertirse el sistema en otro o llevar a cabo el despla"amiento del lodo contaminado por un fluido más tolerante! •
"antenerse esta%le a presiones , temperaturas.
&n po"os profundos especialmente, los valores de presi$n y temperatura suelen ser bastante elevados 01/ D> y .1/// Lpc! La mayoría de las sustancias químicas empleadas en los fluidos de perforaci$n son susceptibles de degradarse t#rmicamente ocasionando graves problemas como floculaci$n, solidificaci$n, etc!, que proporcionan dificultad para sacar la tubería de perforaci$n, p#rdidas de circulaci$n, etc!
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Reolog-a de los 'luidos) Ciencia $ue estudia la capacidad , comportamiento del flu8o de fluidos !
9e entiende por fluido cualquier sustancia que se deforma constantemente cuando es sometida a esfuer"os de corte 4ci"allamiento7 por muy peque)o que este sea! %ueden ser3 •
EeFtonianos
•
Eo EeFtonianos
(ebemos definir tambi#n lo que es flu8o 3 GMovimiento de un fluido y puede ser3 +ap$n, Laminar o +urbulento! &l Esfuer#o de Corte *Ec+ es el esfuer"o tangencial que tiende a
deformar el
elemento fluyente y esta expresado en (inas I cm 6 ! ' nivel de campo, puede considerarse el esfuer"o de corte como la presi$n eercida durante la circulaci$n del lodo o presi$n de bomba! Cuando el lodo pasa a trav#s de las boquillas o ets de la mecha, sufre el mayor adelga"amiento por corte y por lo tanto tendrá baa viscosidad, lo cual es positivo ya que la velocidad de penetraci$n meora! La Tasa de Corte *Tc+ es la velocidad a la cual se desenvuelve el &sfuer"o de Corte en el fluido en comportamiento dinámico de despla"amiento! 9u variaci$n es puntual a trav#s de todo el sistema de circulaci$n! La +asa de Corte es mayor en la mecha y menor en los tanques de lodo? esta expresada en segundo 5. y no es mas que la relaci$n entre la velocidad relativa expresada en pies Iseg y la distancia relativa en pies! &n el campo, la +asa de Corte esta relacionada con la velocidad del fluido en el espacio anular 4;a7, por lo tanto, es funci$n del caudal o tasa de bombeo y de la capacidad anular! La relaci$n entre &sfuer"o de Corte y +asa de Corte se define como la :iscosidad de un fluido! 12
+ipos de >luidos3 Ne;tonianos)
>luido básico donde el esfuer"o de ci"allamiento o corte es directamente proporcional a la tasa de corte! @nician su movimiento al agregar presi$n al sistema 4% /7! &ntre ellos se pueden encontrar el agua, aceite, gasolina, glicerina, etc! Caracter-sticas)
J Eo tiene capacidad de suspensi$n! J La viscosidad es independiente del esfuer"o de corte y disminuye con temperatura J >luido incompresible J La relaci$n punto cedente I viscosidad plástica es igual a cero J %erfil de velocidades constante, se asemea a una %arábola J &l índice de comportamiento de fluo 4 n 7 igual a uno J Libre de s$lidos!
Tasa de Corte
No3 Ne;tonianos)
9u viscosidad depende las condiciones del fluo 4movimiento de un fluido7! &l fluido puede ser3 +ap$n, Laminar o +urbulento! Los fluidos Eo EeFtonianos se clasifican de la siguiente manera, en funci$n de su comportamiento con el tiempo3 ! Comportamiento independiente del tiempo3 !5 %lástico, %seudoplástico, (ilatante
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Comportamiento en funci$n del tiempo3 !5 +ixotr$pico y *eop#ctico 'luidos (lsticos)
&nvuelve a la mayoría de los fluidos de perforaci$n! *equieren de una velocidad mínima de ci"allamiento igual al punto cedente para iniciar el movimiento! 9u comportamiento reol$gico es expresado por la ecuaci$n de
Donde: Ec: Esfuerzo de Corte PC: Punto Cedente C : Constante del Viscosímetro VP : Viscosidad Plástica Tc : Tasa de corte
Ec Tc
'luidos (seudoplsticos)
*equieren de una presi$n mayor que cero para comen"ar el movimiento! La viscosidad aparente disminuye al aumentar la tasa de corte hasta un punto donde la velocidad se hace constante! 9e caracteri"a porque el punto cedente es igual a cero! 9u comportamiento reol$gico esta descrito por la ley de %otencia 4%oFer LaF7, los valores de n 3 índice de comportamiento laminar o sea capacidad de un fluido para reducir la viscosidad por corte y = 3 factor de consistencia del fluo laminar, dependiente de la cantidad de s$lidos, forman parte de la siguiente ecuaci$n3 Ec = k (Tc ) n
n < 1.0
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Tasa de Corte
'l aumentar la tasa de corte, disminuye la viscosidad aparente o sea disminuye la lectura de K// r!p!m! y aumenta el punto cedente! Como eemplo de este tipo de fluidos se tienen3 polímeros, resinas, pinturas y lodos de perforaci$n . 'luidos Dilatantes)
Constituidos por una alta concentraci$n de s$lidos dispersos, la viscosidad aparente aumenta al aumentar la tasa de corte! &l punto cedente es igual a cero! La ecuaci$n que lo describe es la siguiente3 Ec = k (Tc)
n
n >1.0
Tasa de Corte
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'luidos Ti6otrópicos)
La Ti6otrop-a es la capacidad que tienen los fluidos de desarrollar con el tiempo una resistencia de gel!, &l lodo adquiere una consistencia gelatinosa si se dea en reposo, pero al agitarse nuevamente regresa a su estado original! &n este tipo de fluidos, el esfuer"o de corte no sigue una relaci$n proporcional con respecto al aumento o disminuci$n de la tasa de corte! Como eemplo de este tipo de fluido se tienen los lodos de perforaci$n base agua, base aceite, tintas, pinturas!
'luidos Reopécticos)
9on aquellos que desarrollan una estructura en funci$n del tiempo a cierta tasa de corte! &l -eso en agua tarda / minutos en fraguar si se le dea en reposo, pero si se agita constantemente, tarda solamente 6/ minutos
Etapas de flu8o3 16
No flu8o 3 La presi$n de la bomba es insuficiente para mover el fluido, presi$n menor
que el punto cedente! La máxima fuer"a aplicada es igual al punto cedente! 'lu8o tapón) La presi$n de la bomba es suficiente para mover el fluido! La presi$n
aplicada supera el punto cedente verdadero, pero es menor que el punto cedente falso o de :ingham! &l fluido en fluo tap$n tiene gran capacidad de limpie"a y es característico de los lodos no dispersos!
'lu8o aminar) Incompleto) La presi$n de la bomba es suficiente para vencer la fuer"a de fricci$n
entre el fluido con la pared del po"o y la tubería de perforaci$n3
Completo) ' medida que se incrementa la presi$n, aumenta la velocidad en el centro
del espacio anular! &l perfil de velocidades se asemea a una parábola! &ntre más agudo es el perfil, mayor será la "ona de baa velocidad y por consiguiente menor será la limpie"a del hoyo!
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'lu8o Tur%ulento) %osee un perfil de velocidades parecido al del fluo tap$n, con la
diferencia de que el movimiento de las partículas es en forma desordenada! &n el campo, el fluo turbulento se logra al aumentar la presi$n y las emboladas de la bomba de lodo, consiguiendo aumentar de esta forma la velocidad anular!
>Cómo determinar el tipo de flu8o?
%ara fluidos Ne;tonianos , el tipo de fluo se determina a trav#s del N@mero de Re,nolds0 el cual es adimensional! &n los fluidos no EeFtonianos por carecer de
velocidad absoluta, no se puede saber el tipo de fluo aplicando #l numero de *eynolds, en consecuencia, para su determinaci$n bastara con comparar la velocidad anular con la velocidad critica! %ara fluidos EeFtonianos3 Re 1 AB *Dh3Dp+ 6 :a 6 :iscosidad
4(h5(p7 (iámetro anular 4pulg7
;a ;elocidad 'nular 4piesIseg7 A (ensidad del lodo 4Lpg7 &l fluido puede estar en distintas etapas de fluo en diferentes puntos del hoyo o del po"o, puede ser turbulento alrededor de los portamechas y laminar dentro de la tubería de perforaci$n . 18
Si:
Re 6/// Re /// Re N /// 6///
>luo Laminar >luo +urbulento +ransici$n Laminar a +urbulento
(ara fluidos no Ne;tonianos 3
;a N ;c ;a ;c
>luo Laminar >luo +urbulento
;a 6! x gpm I (h 6 (p 6 Vc = 1.078 VP + 1.078
;elocidad anular
(VP) 2 + 9.256 ( Dh - Dp ) 2 x PC xW / W (Dh-Dp)
Los rangos mas utili"ados en perforaci$n para velocidad anular dependerán de la densidad del lodo usada y el tipo de po"os referido a su desviaci$n 9.0 -10.0 Lpg
14.0 -17.0 Lpg
Pozo Vertical (0°-10°)
80-140
60-120
Pozo Inclinado (10°-30°)
130-170
110-130
Pozo Desviado (30°-60°)
> 250
> 180
> 17.0 Lpg
60
100
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"odelos Reológicos) Los modelos reol$gicos están basados en la relaci$n esfuer"o de corte5tasa de corte, y permiten describir el comportamiento reológico de los fluidos en el espacio anular! %ara un fluido EeFtoniano es necesario conocer la tensi$n de corte a una sola velocidad de corte, luego se grafica en papel de coordenadas rectangulares y se tra"a una recta por ese punto y por el origen! %ara fluidos no EeFtonianos es necesario utili"ar un viscosímetro de velocidad variable, ya que no existe una ecuaci$n matemática que describa la reología de los fluidos en el espacio anular! 9e han propuesto varias ecuaciones que se aproximan a la verdadera relaci$n &c5+c, estas ecuaciones reciben el nombre de modelos reológicos0 los cuales deben basarse en mediciones que puedan reali"arse en el campo en forma rutinaria! 'demás, debe ser suficientemente simple y de fácil aplicabilidad en el campo! &s bueno e importante tener presente que el esfuer"o de corte equivale a la lectura del dial y la velocidad de corte a la rpm del re$metro! "odelo (lstico de
&s el modelo reol$gico mas empleado en el campo por su simplicidad, ya que provee una base excelente para el tratamiento de lodo! 9e utili"a un ;iscosímetro de dos velocidades K// y 0// rpm cuyos valores se grafican en papel de coordenadas rectangulares, se unen estos dos puntos obteni#ndose una recta cuyo punto de intersecci$n con el ee vertical corresponde al punto cedente y la pendiente de la recta corresponde a la viscosidad plástica! Ecuación de la recta) ectura del dial 1 (C F :(G44
;% LK// 5 L0// %C L0// ;%
20
Desventa8as del modelo)
Limitado a dos velocidades 40// y K// rpm7 &n lodos dispersos se obtienen a baas tasas de corte, valores de esfuer"o de corte mayores a los que realmente deben ser! &ste modelo no describe el comportamiento de los fluidos de perforaci$n a baas velocidades de corte! 9u representaci$n gráfica es una recta, lo cual no es representativo del comportamiento del lodo a trav#s del anular! "odelo de la e, E6ponencial * (o;er a; +
&sta representado por la ecuaci$n obtenida de la recta al graficar &c vs +c en papel log5log Ec = k (Tc)
n
(onde n y = son los índices de comportamiento de fluo y de consistencia de fluo! &l valor de n es adimensional y = se expresa en LbsI.// pies 6 5rpm n
Log Tasa de Corte
21
&n papel de coordenadas rectangulares, el reograma de &c vs +c para la ley &xponencial no es una línea recta sino una curva!
Tasa de Corte
La incorporaci$n de s$lidos al sistema, hacen al fluido menos EeFtoniano y el valor de n es menor de .!/! Cuanto más bao es el valor de n , menos EeFtoniano es el fluido y mayor es la reducci$n de viscosidad por corte! &l valor de n depende del tipo de viscosificador y se controla con adelga"antes químicos, = es el valor de consistencia de fluo laminar, se le considera similar a la viscosidad plástica ya que un aumento de = indica generalmente un aumento del contenido de s$lidos! &n un lodo, los valores de n y = se determinan por medio de las lecturas del dial del ;iscosímetro >ann a K// y 0// rpm! La ley exponencial ofrece la desventaa de no tomar en consideraci$n la tensi$n de cedencia, es decir, la resistencia interna que debe ser vencida para que el lodo comience a fluir!
'actores $ue afectan la reolog-a) 22
(resión) &erce poco efecto sobre la reología de los lodos base agua, pero afecta
significativamente a los lodos base aceite o petr$leo! Temperatura) La reología de un lodo depende de la temperatura! La viscosidad
decrece a medida que aumenta la temperatura hasta producir en algunos casos 4lodos de calcio7, gelificaci$n y aun cementaci$n! Tiempo) @gualmente, el tiempo es factor predominante en la reología de un fluido,
tanto es así que la lectura a K// rpm en un ;iscosímetro >ann, se toma siempre antes de las lecturas de 0// rpm! 9i se invierte el orden de las lecturas, pueden alterarse los resultados! La resistencia de gel es otra manifestaci$n de la dependencia del tiempo! La estructura de gel solo se desarrolla despu#s de un período de tiempo durante el cual el lodo ha sido sometido a una velocidad de corte igual a cero!
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(ropiedades %sicas de los fluidos de perforación) Densidad)
%eso por unidad de volumen! eneralmente se le da el nombre de peso del lodo y esta expresado en libras por gal$n, libras por pie c8bico! La densidad del lodo depende del tipo de líquido utili"ado y del material que se le adicione! (urante la perforaci$n de un po"o, el control de la densidad del lodo uega papel importante! La prevenci$n y control del influo de fluidos desde la formaci$n al po"o, permite que el proceso de perforaci$n sea llevado a cabo de una forma segura! &l peso o densidad del lodo debe ser suficiente para contener el o los fluidos de la formaci$n, pero su valor no debe ser demasiado alto como para fracturar la formaci$n y originar p#rdidas de circulaci$n! 'ltas densidades provocarán altas presiones hidrostáticas, las cuales tienen gran influencia en las tasas de penetraci$n, que se verán reducidas a medida que la densidad es mayor! La mecha encontrará mayor oposici$n a penetrar las formaciones por efecto de presi$n en la cara posterior de la mecha de perforaci$n! ' nivel de laboratorio y en el campo, la densidad del lodo de mide utili"ando la :alan"a de lodos, :alan"a %resuri"ada y el (ensist$metro! :iscosidad)
*esistencia interna que ofrece un fluido a fluir 4deformarse7! %ara las mediciones de viscosidad se emplea el embudo Marsh que mide la viscosidad del fluido en un tiempo medido! &s el n8mero de segundos requeridos para que un cuarto 42K ml7 de lodo pase a trav#s de un tubo de 0I.K pulgadas, colocado a continuaci$n de un embudo de .6 pulgadas de largo! &l valor resultante es un indicador cualitativo de la viscosidad del lodo! ;iscosidad 'parente3 se obtiene de la lectura de K// rpm dividida entre dos! 24
:iscosidad (lstica)
*esistencia del fluido a fluir, causada principalmente por la fricci$n mecánica entre las partículas suspendidas y por la viscosidad de la fase fluida! &s afectada por la concentraci$n, tama)o y forma de las partículas s$lidas suspendidas en el lodo! La concentraci$n de los s$lidos uega papel de importancia en el control de la viscosidad plástica! Bn cambio en el tama)o 4reducci$n7 de las partículas s$lidas, un cambio en la forma de las mismas o una combinaci$n de ambas, todo aumento en la superficie total expuesta de los s$lidos se refleará en el incremento de los valores de la viscosidad plástica! &xisten tres formas de controlar la concentraci$n de los s$lidos perforados3 (iluci$n, sedimentaci$n y control mecánico de los mismos! La unidad utili"ada para su medici$n es el centipoise y se obtiene utili"ando un ;iscosímetro rotacional tomando la lectura de K// rpm y restándole la de 0// rpm! :( 1 H44 3 G44
(unto Cedente *ield (oint+)
*esistencia de un fluido a fluir, causada por las fuer#as de atracción entre las partículas, producto de la interacci$n de las cargas el#ctricas sobre la superficie de las partículas dispersas en la fase fluida del lodo, la cantidad de s$lidos y la concentraci$n i$nica de las sales contenidas en la fase fluida del lodo ;alores altos de punto cedente pueden tener varias causas3 presencia de contaminantes como sal, cemento o 'nhidrita, pueden provocar la floculaci$n de la 'rcilla! Bn aumento en la concentraci$n de s$lidos aumenta el n8mero de cargas de superficie y disminuye la distancia entre ellas! %ara su tratamiento se pueden a)adir sustancias químicas que anulen el efecto de las cargas el#ctricas sobre las 'rcillas 4fosfatos, taninos,
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Lignosulfonatos7! +odo aquello que produ"ca floculaci$n en un lodo, determinara un incremento en el punto cedente! 'l igual que la viscosidad plástica, se obtiene utili"ando un viscosimetro rotacional y no es mas que la lectura a 0// rpm menos el valor de viscosidad plástica! (C 1 G44 3 :(
'uer#a de gel)
&l fluido de perforaci$n debe poseer caracter-sticas Ti6otrópicas que le permitan desarrollar una estructura de gel rígida o semi5 rígida durante períodos de reposo, con la finalidad de poder cumplir con las funciones primordiales del lodo de perforaci$n como lo es la suspensi$n de s$lidos indeseables cuando se esta reali"ando un viae de tubería! La aparici$n de problemas en un fluido de perforaci$n se observa con la ocurrencia de geles progresivos o de geles instantaneos! Bn amplio margen entre el gel inicial 4./ seg7 y el gel final 4./ min7 se denomina gel progresivo e indica acumulaci$n de s$lidos! Cuando ambos valores de gel son elevados se esta en presencia de floculaci$n! 'ltas resistencias de gel pueden causar graves problemas como3 ! *etenci$n de aire o gas en el lodo ! %resiones excesivas al romper circulaci$n despu#s de un viae ! *educci$n de velocidad de sedimentaci$n de s$lidos en superficie ! &fecto de suabeo o succi$n al sacar tubería ! &fecto de pist$n o surgencia al meter tubería ! @mposibilidad de correr registros el#ctricos
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%ara #l calculo de esta fuer"a de gel se hacen dos mediciones3 despu#s de ./ segundos 4 gel inicial 7 y a los die" minutos 4 gel final 7, utili"ando un viscosímetro rotacional a baa revoluci$n! (h)
&s la medida de la concentración de iones Jidrogeno y se puede relacionar con la alcalinidad de acuerdo con la siguiente ecuaci$n3 J O
J
F
F
OJ
5
&xiste un equilibrio químico de tal forma que dicha reacci$n de ioni"aci$n y la reacci$n inversa están en continuo funcionamiento! %ara el agua pura en condiciones de equilibrio, las concentraciones de los iones H P y OH 5 son iguales y tienen un valor de ./ 5< moles por litro! &l %h del agua pura es
3L
La escala de %h es negativa y logarítmica y su rango es / a .! Cuando esta por debao de
27
7lcalinidad)
Concentraci$n de iones Oxidrilo 4OH 5 7 en exceso en una soluci$n acuosa! &n una soluci$n neutra el n8mero de iones Hidr$geno y Oxidrilo es el mismo! 9e dice que una soluci$n es alcalina cuando #l n@mero de iones O6idrilo e6cede el n@mero de iones Jidrogeno !
La 'lcalinidad puede ser clasificada de acuerdo con la fuente de iones Oxidrilo, sobre todo en tratamientos químicos, perforaci$n de cemento, agregado de cal, ioni"aci$n de tratamientos de lodo con 9ilicatos, presencia de iones Carbonato con agua y reacci$n de iones :icarbonato con agua! +ratamiento con 9oda Cáustica 4EaOH7 NaOJ
Na F F OJ
3
'l perforar cemento o agregar Cal3 Ca*OJ+
Ca F F OJ
3
@oni"aci$n de tratamientos de lodos con 9ilicatos Na /iO G F J O
Na F /iO F OJ
3
%resencia de iones Carbonatos 4CO G1 7 CO G1 F J O
JCO G F OJ
3
JCO G F J O
J CO G F OJ
3
'ctualmente, se utili"an varios m#todos para medir la alcalinidad de los lodos3 %f, Mf y %m, los cuales se miden determinando la cantidad de una soluci$n ácida estándar que se requiere para neutrali"ar la alcalinidad presente!
28
(f , "f)
&stos ensayos presuponen que la alcalinidad es debida a iones Carbonato, :icarbonato y Oxidrilo, y además da por supuesto que no hay agentes amortiguadores 4:uffers7 presentes, La cantidad de ácido requerida para reducir el filtrado a un %h de Q!0, es la cantidad necesaria para neutrali"ar todo el hidr$xido y para convertir los Carbonatos a :icarbonatos de la siguiente manera3 Na CO G F J /O L
4%hQ!07
NaJCO G F Na /O L
La adici$n de una cantidad mayor de ácido para titular del punto final %f al punto final Mf, convierte los :icarbonatos a (i$xido de Carbono y agua! La cantidad de ácido requerida depende de cuanto :icarbonato exista a nivel de %h Na /O L F CO F J O
NaJCO G F J / O L
4%h!07
&stas condiciones son validas si solo están presentes los iones Carbonatos, :icarbonatos y Oxidrilo ! ! 0
P!
".#
7.0 C$#
%C$#
8.# C$#
10.#
1"
$% -
La interpretación simultánea del Pf y f! permite la determinación del ori"en y "rado de la alcalinidad del filtrado:
$% Pf # $ Pf # f &Pf # f &Pf ( f &Pf , f
$ Pf % &$ $ $ )&Pf*f+ % &$
C$#-
%C$ #-
$ $ Pf % '$ Pf % '$ )f* Pf+ % '$
f % &$ $ $ )f*&Pf+ % &$ $
Las partes por mill$n equivalente es una medida de la reactividad de cada ion! %ar tener una idea clara del ion contaminante, es preciso conocer los valores de %f y Mf! Bna indicaci$n de la presencia de Carbonatos y :icarbonatos es un valor alto de la alcalinidad total 4Mf7! Bna separaci$n notable entre valores de %f y Mf confirma la presencia de CO G y HCO G 29
! Los Carbonatos predominan cuando el %f es aproximadamente la mitad de Mf mientras que los :icarbonatos están presentes en un lodo que tenga un %h menor de ./!0 y Mf alto! La experiencia demuestra que se puede correlacionar las fuentes u origen de la alcalinidad en el lodo con las propiedades del mismo! /i e6iste 3
OH5 OH 5 y CO G CO G solamente CO G y HCO G HCO G
Caracter-sticas del lodo
&stable! :uenas condiciones &stable! :uenas condiciones @nestable! %uede ser controlado @nestable! (ifícil de controlar Malas condiciones, muy difícil de controlar
Lodos con problemas de Carbonatos y :icarbonatos exhiben altas viscosidades y elevadas resistencias de gel y no responden a tratamientos normales! La p#rdida de filtrado puede aumentar! &l tratamiento químico preferido para la remoci$n de Carbonatos es precipitarlos como Carbonato de Calcio insoluble! Na C O G F Ca*OJ+
CaCO G F NaOJ
Los :icarbonatos deben ser convertidos mediante adici$n de iones Hidroxido NaJCO G F Na*OJ+
Na C O G F J O
La conversi$n de :icarbonato a Carbonatos comien"a a un %h de Q!0, la mayor parte de esta conversi$n ocurre al llegar a un %h ./!0! &l :icarbonato restante es convertido a Carbonato antes de llegar a un %h de ..! Como los :icarbonatos están presentes en un %h menor de ./!0 y los Carbonatos a un %h mayor de ./!0, el tratamiento lo dictamina el %h del lodo! 9i %h N ./!0 se puede usar Cal o Cal con -eso solamente y si es menor de ./!0 se usa -eso y 9oda Cáustica!
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'iltración)
&l fluido de perforaci$n cuando se coloca sobre o se le hace circular a trav#s de una formaci$n permeable, perderá parte de su fase liquida hacia el interior de esa formaci$n! Los s$lidos del lodo se depositaran sobre las paredes del po"o formando una capa llamada revo$ue. &n los lodos base agua, el filtrado es agua y en un fluido base aceite el filtrado es aceite o gasoil! La filtraci$n o p#rdida de filtrado es el volumen de ese filtrado del lodo? este proceso debe ser controlado durante la perforaci$n para asegurar un funcionamiento exitoso del lodo! %ara esto es necesario controlar la cantidad o velocidad de filtraci$n, control del espesor y textura del revoque! La formaci$n de un revoque delgado y resistente sobre la superficie de las formaciones e impedir una p#rdida excesiva de filtrado forman parte de un control adecuado de la filtraci$n! &sto ayuda a minimi"ar los da)os a la formaci$n y mantiene un po"o estable al disminuir riesgos de aprisionamiento de la tubería, mayor producci$n para formaciones productivas, meor interpretaci$n de los registros el#ctricos, estabilidad del hoyo! (ebe existir una presi$n diferencial positiva entre el po"o y la formaci$n para que pueda ocurrir la filtraci$n! &sta presi$n diferencial es la diferencia entre la presi$n hidrostática del lodo y la presi$n de la formaci$n Bna formaci$n permeable tiene la capacidad de permitir que el fluido pase a trav#s de ella! &l tama)o del espacio poroso influirá en el grado de conexi$n de los poros! 9i el fluido no puede penetrar a trav#s de las rocas, se dice que la roca es impermea%le y por ende, no se puede formar revoque ni producirse perdida de filtrado, como es el caso de las Lutitas! &l grado de invasión por parte del filtrado influirá directamente en el tama)o del revoque en las paredes de la formaci$n, originando problemas
31
operacionales como aprisionamiento de herramientas por presi$n diferencial, problemas de succi$n, suabeo, etc! 9i la formaci$n permeable es productiva, los caminos potenciales para el paso de hidrocarburos pueden ser bloqueados por una reacci$n adversa entre el filtrado y la formaci$n o por la entrada de s$lidos del lodo en el interior de la formaci$n! La excesiva invasi$n por parte del filtrado puede cambiar las características de una formaci$n, lo cual hace difícil la evaluaci$n de la formaci$n con perfiles el#ctricos! &n el po"o ocurren dos tipos de filtraciones3 (inámica y &stática! La dinmica tiene lugar cuando el lodo esta circulando, el revoque se erosiona y por lo tanto es más delgado que el revoque estático, pero sin embargo la perdida de filtrado es mayor! La filtraci$n esttica tiene lugar cuando el lodo no esta en movimiento, el revoque se hace más grueso con el tiempo dado que el revoque restringe el fluo de filtrado, la tasa o velocidad de filtraci$n con el tiempo! &n el laboratorio, la filtraci$n estática se mide con ensayos a baa presi$n o a alta presi$n y alta temperatura 4H+5H% 51// Lpc de presi$n diferencial y temperatura 6//D >7 'actores $ue afectan el filtrado)
&ntre ellos se tienen3 el tiempo, la temperatura, la presi$n y las características de los s$lidos del lodo! Tiempo) La velocidad de filtraci$n es directamente proporcional a la raí" cuadrada del
tiempo! &sta relaci$n es solo una aproximaci$n basada en la hip$tesis de que la permeabilidad del revoque es constante! La perdida de filtrado debe ser informada en cm 0 I0/ min!
32
Temperatura) ' mayor temperatura, la velocidad de filtraci$n es mayor, ya que
generalmente la viscosidad del petr$leo o del agua en la fase continua del lodo se reduce y tambi#n porque la alta temperatura produce cambios en el lodo! (resión) &l efecto de la presi$n sobre la velocidad de filtraci$n depende de las
características del revoque! 9i es muy compresible, un aumento de presi$n reduce su permeabilidad y disminuye la perdida de filtrado! 9i es incompresible, la velocidad de filtraci$n varia con la raí" cuadrada de la presi$n! &n este caso, la permeabilidad del revoque no es afectada con la presi$n! La compresibilidad del revoque depende del tipo, tama)o, forma y distribuci$n de los s$lidos en dicho revoque! &l control de la permeabilidad del revoque depende del control de la velocidad de filtraci$n! &sta relaci$n es directamente proporcional? partículas peque)as forman revoque de baa permeabilidad ya que están mas compactas! La distribuci$n de los s$lidos en el revoque esta directamente relacionada con el grado de dispersi$n del lodo! Bna dispersi$n apropiada de las partículas coloidales, origina una textura uniforme del revoque o superposici$n de partículas! &n fluidos floculados, las velocidades de filtraci$n son altas, ya que el filtrado pasa fácilmente entre los fl$culos!
33
Composición de los 'luidos de (erforación) La fase li$uida de un lodo es generalmente agua, petr$leo o una me"cla de ambos, como es el caso de una emulsi$n donde un liquido esta suspendido dentro de otro en forma de gl$bulos peque)os! &l líquido suspendido es la fase interna de la emulsi$n y #l liquido dentro de la cual esta suspendida esta fase interna recibe el nombre de fase continua o externa! Los lodos base agua son los mas empleados en la perforaci$n de po"os? pueden ser nativos 4no tratados7, ligeramente tratados hasta intensamente tratados! &stos 8ltimos llamados tambi#n inhibitorios, reducen o inhiben la interacci$n del lodo con algunas formaciones perforadas debido a la preferencia de cationes! Componentes) •
El agua0 el petróleo0 gasoil , necesarios para la preparaci$n del volumen de lodo
requerido son a)adidos desde superficie! •
Las formaciones perforadas , líquidos o gases contenidos en ellas, sales ioni"adas procedentes de formaciones salinas, son fuente importante en el lodo!
•
Los aditivos empleados para modificar las características de los lodos! 'gentes densificantes como la :arita, Carbonato de Calcio y 9ales solubles, 'rcillas viscosificantes, polímeros y agentes emulsificantes, hacen que los lodos se espesen aumentando así su capacidad de transporte y suspensi$n de los recortes y materiales s$lidos densificantes!
9e pueden utili"ar dispersantes para hacer mas fluidos los lodos? se emplean 'rcillas, polímeros, almidones, dispersantes y material asfáltico para reducir la filtraci$n y el da)o a la formaci$n, pegas diferenciales e interpretaci$n de perfiles de po"os! Otros aditivos de lodo incluyen lubricantes, inhibidores de corrosi$n, floculantes, etc! La 9oda Cáustica se a)ade para incrementar el %h? existe otro tipo de aditivos como los
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preservativos, bactericidas, emulsionantes y los ampliadores de temperatura cuya funci$n principal es meorar el rendimiento de otros aditivos! 9e pueden distinguir dos fases en un lodo de perforaci$n! &l lodo es típicamente una suspensi$n de s$lidos en un líquido, al cual se le conoce como fase continua! La suspensi$n de partículas s$lidas o los gl$bulos líquidos en el suspendido, constituyen la fase dispersa! La viscosidad de un lodo esta refleada en su fase dispersa! 9i aumenta la concentraci$n en la fase continua, tiende a existir un adelga"amiento del lodo! &l filtrado proviene en gran parte de la fase continua, mientras que el revoque se forma a partir de la fase dispersa! La fase continua de un lodo siempre es liquida, en cambio en la fase dispersa se pueden hallar s$lidos, líquidos o gases . 'ase Continua)
&n lodos base agua la fase continua es el agua! Las sales disueltas en ella tambi#n forman parte de la fase continua? los cationes Ea P y Ca PP y el ani$n OH 5 son de particular importancia en el comportamiento de lodos base agua! Concentraciones altas de estos cationes provocan inhibici$n de la hidrataci$n de las arcillas! La concentraci$n de iones oxhidrilo se reflea en los valores de alcalinidad y en el %h! &stos iones meoran la dispersi$n de las 'rcillas e inhiben la corrosi$n! 'ase Dispersa)
Los gl$bulos de petr$leo emulsionado dan viscosidad al lodo y reducen su densidad! 'l a)adir petr$leo deliberadamente a un lodo base agua para reducir la fricci$n mecánica, reducci$n de la perdida de fluido a trav#s de las paredes del po"o, liberaci$n de tubería atascada por presi$n diferencial!
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&l aire o el gas pueden penetrar un lodo de perforaci$n, provocando un aumento de su viscosidad y disminuci$n de su densidad! &ste aire o gas puede provenir de formaciones perforadas o de operaciones de superficie! La :entonita se hidrata en lodos de agua dulce hasta alcan"ar un volumen aproximado de ./ veces el que tenía en estado seca! &sto se debe a la atracci$n de mol#culas de líquido provenientes de la fase continua? esta agua entra a formar parte de la fase dispersa, lo que explica la eficiencia de la :entonita como emulsionante! 'demás de las fases continua y dispersa, los fluidos de perforaci$n están constituidos por una fracción coloidal formada por s$lidos hidratables con muchas cargas el#ctricas en superficies expuestas! Bn eemplo de ellos es la 'rcilla, la cual debido a sus cargas el#ctricas permite reaccionar al tratamiento químico que se adicione al lodo para el control de sus propiedades! &n lodos base agua, esta agua retenida por las 'rcillas pasa a ser parte de la fase dispersa y de ella dependerá la efectividad de las arcillas como viscosificante! Las partículas coloidales se caracteri"an por tener un tama)o menor de 6 micrones! Los otros s$lidos en el lodo constituyen la fracci$n inerte? la :arita, arena y otros s$lidos son eemplo de esta fracci$n! +odos los s$lidos, reactivos o inertes, presentes en un lodo de perforaci$n pertenecen a la fase dispersa! &l comportamiento del lodo dependerá de la cantidad de s$lidos presentes en el sistema? la velocidad de penetraci$n es mayor mientras menor cantidad de s$lidos exista! 9in embargo, existen en un lodo de perforaci$n s$lidos deseables, los cuales contribuyen positivamente sobre las propiedades del lodo, y de allí la ustificaci$n para su permanencia en el sistema! Bn eemplo de ellos es la :arita y la :entonita, densificante y viscosificante por excelencia en un sistema de lodos base agua!
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as 7rcillas , su Comportamiento) Las 'rcillas son materiales de la tierra que desarrollan plasticidad cuando se moan? las que absorben agua fácilmente se les llama hidrof-licas y las que no absorben agua 4cálcicas7, se les denomina hidrofó%icas ! &n un lodo de perforaci$n, la 'rcilla 4:entonita o gel7 debe dispersarse completamente, pero no se quiere que las 'rcillas perforadas se dispersen para poderlas separar en la superficie! Las 'rcillas usadas en agua dulce son compuestos de /ilicato de 7luminio hidratado , de tama)o variable, formadas por capas u hoas alternadas de 9ílica y 'lumina! Cuando están suspendidas en agua, las 'rcillas exhiben varios grados de hinchamiento dependiendo de su origen y la química y naturale"a coloidal de cualquier otra sustancia presente! La estructura típica de una arcilla es tipo Mica? sus láminas están compuestas por plaquetas de cristal diminutas, apiladas cara con cara! Bna placa simple es llamada capa unitaria y consiste en una placa Octaedral constituida por átomos, bien de 'luminio 4'l P PP
7 o bien de Magnesio 4Mg PP 7, combinaci$n octaedral con átomos de Oxigeno OH OH
OH
Al
+++
Mg
++
++++
OH
OH
OH
Si
O OH
OH
OH
OH
++++
Si
OH
Mg
++
OH ++++
Si O
OH
Diagramas esquematicos de las particulas de Arcilla ( Mont - Sodica )
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Bna o dos placas de 9ílica +etraedral, en donde cada átomo de 9ílica 49i PPPP 7, esta combinado con cuatro átomos de Oxigeno! La base del +etraedro forma un reticulado hexagonal de átomos de Oxigeno, de extensi$n de áreas determinadas $#A%A O%TAED"A#
OH
OH
OH OH
OH
OH
OH OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
OH
ATOMO MAGNESO OH
O!HD"#OS
OH
OH OH
O!GENO OH
HD"O!# S#%A& O%ASONA#MENTE A#'MN O
En&'c n* n' p&'c' $c',*'& , p&'c' T*',*'& ' *' , n*c'3 4 , 3 , $xn
&stas placas son enla"adas y se mantienen untas compartiendo átomos de Oxigeno comunes! 38
&l grado de sustituci$n, los átomos envueltos y las especies de cationes intercambiables, son de gran importancia en la tecnología de fluidos de perforaci$n, debido a la influencia que ellos eercen sobre las propiedades, tales como3 hinchamiento, dispersi$n y características reol$gicas y de filtraci$n! &xisten 'rcillas en cuyo reticulado o estructura cristalina, la capa tetraedral de una capa es adyacente a la capa tetraedral de la siguiente, de tal forma que átomos de Oxigeno están opuestos a átomos de Oxigeno! Como consecuencia de esto, la adherencia entre las capas es d#bil y el clivae es fácil! &l agua puede penetrar entre las capas causando aumento en el espaciamiento! &ste tipo de 'rcilla tiene una estructura expansiva que aumenta grandemente su actividad coloidal! +odas las caras y no solamente las superficies exteriores, están expuestas a hidratación y a intercambio de cationes! %A$A TET"AED"A# %A$A O%TAED"A# %A$A TET"AED"A# ES$A%O A"A*#E %A$A 'NTA"A
NTE"%AM*O DE %ATONES AG'A %"STA#NA
$'NTA DE# %"STA#
{ a
S'$E",%E *ASA#
"E$"ESENTA%ON DAG"AMAT%A DE 'N %"STA# DE A"%##A DE T"ES %A$AS
La "ontmorillonita es la más conocida de este grupo de 'rcillas! &s constituyente principal de las :entonitas y se encuentra en formaciones arcillosas $venes que causan hinchamiento cuando se perforan! &sta 'rcilla se hincha grandemente debido a su estructura expansiva!
39
9e han reconocido dos mecanismos de expansi$n3 el cristalino y el osm$tico! &l cristalino resulta de la absorci$n de capas de agua molecular sobre las superficies
basales del cristal, sobre ambas y sobre la superficie intercapas! La primera capa de agua se mantiene sobre la superficie por enlaces de Hidrogeno al reticulado hexagonal de los átomos de Oxigeno! &l hinchamiento osmótico ocurre debido a que la concentraci$n de cationes entre las capas es mayor que la parte de la soluci$n! &l agua es extraída de las capas, aumentando el espacio y el desarrollo de las capas doble difusas 'loculación)
Las partículas coloidales se mantienen indefinidamente en suspensi$n debido a su tama)o extremadamente peque)o! Cuando están suspendidas en agua pura, no pueden aglomerarse debido a la interferencia entre las capas dobles altamente difusas? al a)adir un electrolito, estas capas son comprimidas y mientras más cantidad de electrolitos se a)ade, mayor será el acercamiento entre estas partículas debido al predominio de las fuer"as atractivas, produciendo un aglomeramiento de las mismas! Las partículas se unen cara5arista yIo arista5arista! &n este estado se incrementa la asociaci$n cara5borde entre las partículas, produci#ndose una alta viscosidad y un descontrol en la p#rdida de filtrado 4alta7!
( %A"A %ON $'NTA )
( $'NTA %ON $'NTA )
40
7gregación)
'ntes de ser hidratada, la 'rcilla consta de un gran n8mero de capas agrupadas! 'l entrar en contacto con el agua, las capas se hidratan hasta que las fuer"as que las mantienen untas se debilitan! Las partículas están agrupadas cara a cara y pueden ser separadas por agitaci$n mecánica, por hidrataci$n y por dispersi$n
Dispersión)
Cuando la fuer"a de atracci$n entre las partículas se debilita por entrada de agua, tendiendo a separarse individualmente! Las caras cargadas de forma negativa se atraen con los bordes de las caras positivas! &s característica principal de este proceso el aumento de viscosidad del lodo debido al aumento en #l n8mero de partículas y al del área de superficie .
Defloculación)
9eparaci$n de partículas de 'rcilla por neutrali"aci$n de las cargas el#ctricas por los Lignosulfonatos y Lignitos! Las partículas pueden separarse individualmente o en grupos de dos o tres unidades!
41
7lgo ms so%re la
4%oliacrilamida7, este se debe agregar durante el proceso de molienda en
cantidades desde /!6 hasta un 6R en peso! Concentraciones mayores del %olímero pueden producir procesos de adelga"amiento! &ntre las especificaciones '%@ para la :entonita 4'%@ .0'7 están las siguientes3 •
Eo más del R de residuos al pasar por un tami" de 6// Mesh!
•
>iltrado de una misma me"cla menor de .1 ml
•
Humedad menor del ./R
•
La relaci$n entre el punto cedente y la viscosidad plástica no debe exceder de 0
La gravedad específica de la :entonita es de 6!01 y el %h es de Q!/! Bna me"cla de aguaI:entonita en concentraci$n de 6/ LbsI:l da un peso de Q!K Lpg y viscosidad de embudo de 0K segIqto gal!
42
Rendimiento de las 7rcillas) &l rendimiento se define como #l n8mero de barriles de lodo de .1 centipoises de viscosidad aparente que se puede preparar con una tonelada de 'rcilla! Como es sabido, la viscosidad aparente indica la máxima concentraci$n de s$lidos arcillosos que puede aceptar una me"cla agua I :entonita sin tratamiento químico, es decir sin utili"ar adelga"antes químicos! (ependiendo de la concentración de sólidos arcillosos , el rendimiento variará directamente proporcional a la misma! 9i esta concentraci$n es baa, el rendimiento será bao y del 61 al 1/R de s$lidos puede ser tolerado con un aumento correspondiente de la densidad de 2!Q a .6!/ Lpg! Los s$lidos suspendidos tienen poco efecto sobre la viscosidad hasta un punto crítico de aproximadamente .1 centipoises? en este punto crítico, el contenido de s$lidos es descriptivo del tipo de 'rcilla en particular y es indicativo de su contenido de material arcilloso! %or encima del punto crítico en la curva, se notará que el agregado de una peque)a cantidad de s$lidos arcillosos tiene un efecto relativamente grande sobre la viscosidad! 9i se representa gráficamente la viscosidad con respecto al porcentae de s$lidos, se obtendrá una curva de rendimiento que es característica de las 'rcillas! &sta curva indica la cantidad de s$lidos que se pueden agregar al lodo manteniendo las condiciones de bombeabilidad! &sto va a depender de la capacidad de esos s$lidos para absorber agua y del tama)o de las partículas! 9i el material que se agrega es altamente coloidal, como la :entonita, el KR de s$lidos será el máximo que puede ser tolerado sin tratamiento químico y la densidad de lodo será de alrededor de ./! grIcc 4Q!K Lpg7, se dice que esta 'rcilla tiene alto rendimiento!
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La naturale"a de la 'rcilla seleccionada gobierna el rendimiento y comportamiento del lodo! 9i se usan aguas duras, minerali"adas, las 'rcillas rinden menos y su comportamiento es pobre! La naturale"a del agua es por consiguiente importante y puede indicar la selecci$n de la 'rcilla adecuada y el tratamiento químico correcto! 9i el agua con la cual se va a preparar el lodo contiene más del 1R de sal, la :entonita com8n pierde su propiedad gelatini"ante y entonces se debe utili"ar una :entonita especial para agua salada, que contenga 'tapulguita! &n la curva de rendimiento de 'rcillas proporciona una clara comprensi$n de las características que imparten las 'rcillas, de allí la conveniencia de mantener un control efectivo de s$lidos que puede lograrse
a trav#s de la diluci$n, el tami"ado o
asentamiento
C"&! $E EN$I'IENTO P!! &!I!S !CILL!S PESO EN LIB!S PO PIE C"BICO 63.7
67.5
8.5
9.0
71.2
75.0
78.7
82.5
86.2
90.0
PESO EN LIB!S PO #!LON 9.5
10.0
10.5
11.0
11.5
12.0
./
0/
1/
2/
3/
4/
/
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
POCENT!%E $E SOLI$OS PO PESO 200 100 75
50
40
30
25
20
18
16
14
12
10
9
8
EN$I'IENTO (LO$O $E 15 CENTIPOISES) EN B!ILES * TONEL!$! 2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
25
30
POCENT!%E $E SOLI$OS PO &OL"'EN 10
20
30
40
50
75
100
150
200
250
LIB!S $E SOLI$OS PO B!IL $E LO$O
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7ditivos utili#ados en los lodos de perforación) Los aditivos son compuestos de origen químico, orgánico o inorgánico que se utili"an en los fluidos de perforaci$n con la finalidad de lograr en algunos casos y de meorar en otros, algunas de sus propiedades afectadas por efecto de agentes externos a ellos! De origen $u-mico) Densificantes)
9on materiales que al ser disueltos o suspendidos en el fluido de perforaci$n, incrementan la densidad del mismo permitiendo poder controlar las presiones de formaci$n, derrumbes en áreas geol$gicamente inestables! Cualquier sustancia que posea una densidad más alta que el agua 4Q!00 Lpg7 y que se pueda adicionar a un sistema sin que afecte sus propiedades, puede ser utili"ado como densificante! Los más usados son3 *',', Epc!c'
alena 49%b7
Hematita 4>e 6O 0 7
!2 5 1!0
Magnetita 4>e 0 O 7
1!/ 5 1!6
:aritina 49O :a7
!6 5 !1
9iderita 4CO 0 >e7
0!< 5 0!2
(olomita 4CO 0 Ca CO 0M g7
6!Q 5 6!2
Calcita 4CO 0C a7
6!K 5 6!Q
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:iscosificantes)
La remoci$n de los recortes perforados por la mecha es una de las funciones más importantes del fluido de perforaci$n! &l uso de viscosificantes permite meorar la habilidad de remoci$n por parte del fluido y a la ve" proporciona propiedades de suspensi$n del material densificante durante las operaciones de viae de tubería, cuando el fluido esta en reposo! Los materiales mas utili"ados son 'rcillas y %olímeros y entre ellos están3 :entonita
9ilicato de 'luminio y 9odioICalcio
'tapulguita
9ilicato de 'luminio y Magnesio
CMC
(erivado de Celulosa
oma Santha
(erivado de goma Sántica
H&C
(erivado de la Celulosa
oma uar
oma de %olisacárido
Controladores de 'iltrado)
La cantidad de fluidos que pasan hacia la formaci$n permeable cuando el lodo esta sometido a presi$n diferencial, debe ser controlada para así evitar posibles da)os a las formaciones productoras, evitar hinchamiento de 'rcillas reactivas 4hidr$filas7, que pueden originar problemas de inestabilidad del hoyo! La perdida de filtrado hacia la formaci$n se puede controlar de tres formas distintas3 formando un revoque defloculado sobre las paredes del hoyo, el cual forma una capa delgada y poco permeable! 9i la fase liquida que esta invadiendo la formaci$n es viscosa 4uso de %olímeros7, la tasa de filtraci$n es más reducida! Otra forma para lograr el control de
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la filtraci$n es mediante la creaci$n de un revoque compresible, adicionándole al lodo materiales coloidales como el 'sfalto y los 'lmidones! Los materiales más utili"ados como controladores de filtrado son la :entonita, los %olímeros manufacturados, almidones y adelga"antes orgánicos! Controladores de Reolog-a)
La reología de un fluido de perforaci$n se puede manear controlando la concentraci$n del o los viscosificantes que utilice el sistema! 9in embargo, muchas veces no se puede lograr ese control de la reología y se tienen que utili"ar materiales adelga"antes, dispersantes o defloculantes, los cuales son químicamente 'ni$nicos y se adhieren a las partículas de 'rcilla haci#ndolas mas negativas, lo cual reduce las fuer"as de atracci$n, incrementan la dispersi$n y con ello reducen la resistencia al fluo! &stos materiales tambi#n reducen la filtraci$n, disminuyen el revoque, contrarrestan efectos de sales disueltas en el sistema, pueden actuar como emulsificantes de aceite en agua y como estabili"adores del lodo a altas temperaturas de fondo del po"o! Los más utili"ados son3 +aninos, 9ilicatos, >osfatos, Lignitos, Lignosulfonatos modificados! Controladores de (h)
9on materiales que se utili"an para mantener un rango de %h en el sistema con la finalidad de asegurar la acci$n efectiva de otros aditivos empleados en el lodo! La detecci$n de contaminantes depende del control de los valores de alcalinidad y del %h del sistema, ya que se vera afectada la solubilidad o precipitaci$n de materiales como %olímeros,
Lignosulfonatos, etc!
&ntre los materiales usados mas frecuentemente para el control del %h se tienen los siguientes3 9oda Cáustica 4 EaOH 7 ? Hidr$xido de %otasio 4 TOH 7 ? Cal 4 Ca4OH7 7 47
Controladores de (érdida de Circulación)
Materiales utili"ados para minimi"ar o anular las p#rdidas de fluido que se puedan originar durante las operaciones de perforaci$n! &l tama)o de los mismos dependerá del grado de p#rdida que se tenga? y varia desde muy fino a grueso! &ntre los materiales más usados están3 Mica, papelillo, fibra, Carbonato de Calcio, etc! u%ricantes)
9u funci$n es la de reducir la fricci$n producida por el arrastre y el torque en las operaciones de perforaci$n! &stán constituidos por materiales como3 'ceites minerales, animales o vegetales, 9urfactantes, rafito, 'sfalto, %olímeros, 'lcoholes, ilsonita, etc! &l mecanismo de acci$n de los mismos es mediante su incorporaci$n tanto en el revoque producido por el lodo como sobre superficies metálicas 4revestidor7, formando una película protectora la cual reduce la fricci$n entre la sarta y el hoyo . 'loculantes)
La remoci$n de s$lidos del sistema de circulaci$n contribuye a meorar y controlar las propiedades reol$gicas del fluido de perforaci$n? es por ello que se debe tener un buen control sobre los mismos, bien sea por medios mecánicos a trav#s de los equipos de control de s$lidos, como de aditivos que permitan el encapsulamiento de los mismos mediante la atracci$n o reempla"o de cargas causada por %olímeros! Los materiales floculantes mas comunmente usados son los siguientes3 9ales, Cal hidratada, %olímeros sint#ticos 4%oliacrilamidas7, oma uar, %olímeros 'crílicos, yeso, etc! (recipitantes)
La contaminaci$n del fluido de perforaci$n con compuestos orgánicos presentes en las formaciones o introducidos al sistema durante las operaciones de cementaci$n, como es
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el caso de los Carbonatos, requieren ser removidos del mismo mediante la adici$n de aditivos como la Cal o el -eso los cuales reaccionan con los mismos y los convierten en un precipitado insoluble! &l Calcio a su ve" se trata con adici$n de 9oda 'sh y el Magnesio se remueve elevando el %h a valores superiores a ./!/ con la adici$n de 9oda Cáustica! Esta%ili#adores de utitas)
La presencia de Lutitas sensibles al agua 4hidratables7, puede originar serios problemas durante la perforaci$n del hoyo, entre los cuales están los derrumbes e hinchamiento de las mismas con las consecuencias de atascamiento de la sarta de perforaci$n, repasos continuos luego de los viaes de tubería, cambio en la reología del lodo y los consecuentes aumentos de los costos de perforaci$n! %ara este tipo de formaciones se utili"an agentes especiales para estabili"arlas a trav#s del mecanismo de inhibici$n de las características de hidrataci$n y la dispersi$n de materiales arcillosos en el sistema! &ntre los materiales mas frecuentemente usados están los siguientes3 %olímeros naturales o sint#ticos de alto peso molecular, 'sfaltos, Cloruro de %otasio, Cloruro de Calcio, Cal o -eso! /urfactantes)
Btili"ados para modificar la tensi$n interfacial entre los s$lidos I agua, agua5agua I aire, etc! Los mas utili"ados son3 Interfase
'unción
'ceite I agua
&mulsificante
'gua I aire
&spumante o antiespumante
'cero I agua
Lubricante, inhibidor de corrosi$n 49
'cero I arcilla
(etergente
'rcilla I agua
(ispersante
'ceite I arcilla
Humectante
7nticorrosivos)
Minimi"an la entrada de aire en la superficie de la sarta de perforaci$n y así combaten la corrosi$n por Oxigeno, CO6 y H69! 9i el problema es presencia de oxigeno, se deben usar secuestradores para removerlas efectivamente, entre estos están las sales solubles de 9ulfitos y de Cromatos! La remoci$n del H69 se puede lograr con materiales de Uinc!
La mayoría de los fluidos de perforaci$n contienen materiales orgánicos susceptibles a degradaci$n! Organismos como bacterias, algas y hongos pueden existir en los lodos a diferentes concentraciones de %h! &ntre los bactericidas están los Oxidantes y los no oxidantes 49ulfuros orgánicos, 'minas cuaternarias, 'ldeidos, Clorofenoles7! "inerales)
Eo se encuentra generalmente pura, o sea que puede estar contaminada con cuar"o, calcita, anhidrita, etc! &l color del mineral varía de gris claro a marr$n, se origina en ambientes sedimentarios y en rocas igneas y metam$rficas! La barita comercial debe tener una gravedad específica de no menos de !6 y contener menos de 61/ ppm de calcio, debe ser insoluble en agua e inerte!
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La barita puede utili"arse para obtener densidades de hasta 66 lbsIgal en lodos base agua y base aceite! 9in embargo, altas densidades producen altos valores reol$gicos por el alto contenido de s$lidos, por lo cual es recomendable utili"ar materiales como la Hematita en lugar de barita! Car%onato de Calcio *CaCO + G
Btili"ado como densificante y como agente controlador de p#rdida de circulaci$n, sobre todo en formaciones productoras! &l CaCO 0 no da)a la formaci$n y es completamente soluble en ácido clorhídrico al .1R! La máxima densidad con CaCO 0 es de .6 lbsIgal el tama)o del grano dependerá del uso que se le quiere dar, varía de .50/ micrones con una gravedad específica de 6!K 6!Q Malena */ulfuro de (lomo /(%+
%osee una gravedad específica de
+iene como funci$n principal controlar el filtrado y estabili"ar las propiedades del lodo base agua a altas temperaturas! &ste material es un liguito oxidado, con un contenido de Q/R de ácido h8mico con pesos moleculares entre 0// y ///! %ueden ser sencillos, los cuales son pocos solubles y son utili"ados en lodos de bao %H! %ara meorar la solubilidad se puede pretratar con 9oda Cáustica, permitiendo que los lignitos se disuelvan en forma más completas que los lignosulfanatos! Los lignitos son solubles a un %H entre ./!1 y ..! Los lignitos compleos son pretratados con Cromo y son utili"ados en combinaci$n con los lignosulfanatos para hacerlos más efectivos, ya que el Cromo permite extender el rango de temperatura del lignito! 51
&l lignito es ácido 4%H17 y no posee buenas propiedades adelga"antes en lodos con alto contenido de calcio! 9e utili"an en sistemas de %H normal a alto y lodos de cal, es compatible con todos los adelga"antes y poseen las características de alta tolerancia a influos de agua salada! ignosulfanatos
+rabaan a todos los niveles de %H y en todos los fluidos base agua! 9u composici$n es a base de ferrocromo, cromo y "inc, los cuales ofrecen mayor estabilidad a temperatura que cualquier otro producto químico! *esisten temperaturas de // a 1//V >, durante períodos cortos de tiempos, de no ser así, se degradan a 0//V> y dan lugar a la formaci$n de CO 6 y H 69 &l %H de los lignosulfatantes de cromo es de y el de los lignosulfatantes de calcio es de <, al pre tratarlos con soda cáustica se elevará su %H a ./!1 &ntre sus propiedades están las de deflocular a los lodos, base agua, al neutrali"ar las cargas el#ctricas de las arcillas, incrementando la carga superficial de las mismas a niveles de %H entre 2/ y .//, lo cual causa repulsi$n entre estas partículas! Cromolignosulfanato y ferrocromolignosulfanato son materiales orgánicos cuya funci$n principal es incrementar la estabilidad a altas temperaturas 4hasta 01/V >7! 9e pueden utili"ar en todo tipo de fluido base agua en concentraciones entre . 6/ lbsIbbl
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(olimeros) &s cualquier tipo de sustancia originada de unidades estructurales que se repiten en cadena mediante un proceso de polimeri"aci$n! 9on coloides orgánicos de cadena larga utili"ados como viscosificantes, agentes controladores de filtrado, adelga"antes o como encapsulantes de s$lidos! Las unidades estructurales que los forman se llaman monómeros0 las cuales deben tener por lo menos dos enlaces a los cuales se pueden agregar o ligar otros mon$meros! &ntre los mon$meros más comunes están el &tileno, el %ropileno y el &stireno? sus respectivos %olímeros son el %olietileno, el %olipropileno y el %oliestireno! Los mon$meros que intervienen en el proceso de polimeri"aci$n pueden ser iguales 4homopolímero7 o diferentes 4copolímero7! &l peso molecular de un %olímero debe ser mayor de .//// y por lo menos debe tener .// mon$meros? las propiedades físicas y químicas del %olímero son controladas por el peso molecular! &l %olímero puede ser lineal o ramificado, en el lineal la distribuci$n de los mon$meros es a lo largo de la cadena, sin orden o en bloques, mientras que en el ramificado estos se unen en puntos determinados de la cadena! Los %olímeros con estructura lineal son altamente resistentes a la degradaci$n termal más no a la degradaci$n mecánica donde se disminuyen sus propiedades viscosificantes, como sucede cuando pasan a trav#s de los ets o boquillas de la mecha y a trav#s de los equipos de control de s$lidos! 9eg8n su origen, los %olímeros se clasifican en naturales, modificados y sint#ticos! Los naturales son compleos, los mon$meros son conocidos y de peso molecular variable, no forman una soluci$n verdadera 4hidrocoloides7, en ve" de disolverse en agua, se hinchan o hidratan! &emplo de ellos son3 'lmid$n, oma uar y el SC(! Los modificados son alterados químicamente para meorar su tolerancia a la sal, su solubilidad y su estabilidad t#rmica! &ntre ellos se encuentra el H&C el cual es no i$nico
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e ideal para viscosificar salmueras, posee propiedades tixotr$picas y adelga"antes excelentes, pero carece de punto cedente y fuer"a gel! Los polímeros sint#ticos se originan de la reacci$n de un mon$mero repetidas veces! Los %oliacrilatos y las %oliacrilamidas son polímeros sint#ticos solubles en agua! 9u costo es menor que el H&C y el 'lmid$n! 9eg8n su estructura química, los %olímeros pueden ser los derivados de la celulosa y los que se derivan de los alcoholes! >ísicamente, pueden ser i$nicos o no i$nicos? los i$nicos son los que poseen cargas el#ctricas, se ioni"an en agua y el tipo de carga que van a desarrollar, determinara su utilidad! 9e clasifican en3 9imples 4ani$nicos y cati$nicos7, los cuales poseen un grupo funcional, y los compleos 4ani$nicos, cati$nicos y anfot#ricos7, que tienen dos o más grupos funcionales! Los %olímeros ani$nicos tienen cargas negativas y constituyen la mayoría de los %olímeros usados en la industria petrolera3 CMC, %'C! Los cati$nicos tienen cargas positivas y son generalmente del tipo amina? tienden a flocular 'rcillas, se adhieren a la superficie o cara de las 'rcillas donde predominan cargas negativas, donde despla"an algunos cationes y mol#culas de agua! %recipitan inmediatamente al reaccionar con %olímeros ani$nicos! Los %olímeros anfot#ricos poseen cargas positivas y negativas y dependerá del grado de %h para que su comportamiento sea cati$nico a bao %h y ani$nico a alto %h! &ste tipo de %olímeros floculan lodos con alto contenido de :entonita 4M:+ .6 LbIbbl7, &s recomendable su uso solo cuando se tengan lodos con baa concentraci$n de s$lidos reactivos! 9eg8n su utilidad, los %olímeros se pueden clasificar en3 ;iscosificantes, floculantes, reductores de filtrado, estabili"antes, defloculantes I adelga"antes! Bn %olímero act8a como :iscosificante cuando desarrolla viscosidad y ello dependerá de factores como3 demanda de agua, del tama)o de las partículas, que es funci$n del 54
peso molecular del %olímero! Las partículas más grandes desarrollan viscosidad de manera más rápida! Otro factor es el tipo de ramificaci$n? si es muy ramificado es difícil producir viscosidad! La habilidad para encontrar agua en soluci$n y poder hidratarse es otro de los factores que le permitirán desarrollar viscosidad! 'lgunos %olímeros son usados como 'loculantes donde el mecanismo de floculaci$n entre el %olímero ani$nico y la partícula de 'rcilla es mecánico! Las partículas se aglomeran formando una masa que precipita por gravedad a medida que aumenta el volumen! La floculaci$n de s$lidos depende de varios factores como capacidad de hidrataci$n, de su concentraci$n, del ambiente i$nico, del tipo de floculante, de la diluci$n! La floculaci$n puede ser total o selectiva! Los floculantes son emulsiones de %olímeros, agua y aceite mineral! Los %olímeros utili"ados como Reductores de 'iltrado controlan la perdida de agua al taponear mecánicamente las formaciones permeables o al aumentar la viscosidad de la fase liquida! &l control del filtrado a trav#s de la viscosidad es funci$n de las cargas negativas, del tama)o y forma del %olímero! %oliacrilatos de 9odio como el AL5.//, C-%'E, %OL-'C, constituyen excelentes reductores de filtrado siempre y cuando se utilicen en sistemas libres de Calcio! &l +H&*M'5CH&CT es un %olímero sint#tico muy efectivo para baar la perdida de agua y estabili"ar la reología a temperaturas cercanas a 0// D>! Los Esta%ili#antes act8an cuando las partículas de 'rcilla se parten adhiri#ndose a las cargas positivas de los bordes expuestos, aumentando la viscosidad de la fase acuosa, reduciendo efectivamente la invasi$n del fluido ayudando a controlar el hinchamiento y dispersi$n de la Lutita! Combinaciones de estos %olímeros con sistemas que contienen sales de %otasio se han utili"ado con mucho #xito en la perforaci$n de Lutitas sensibles al agua! &ntre los mas usados están las %H%' 4%oliacrilamida %arcialmente Hidroli"ada7 como3 %OL-5%LB9, C-(*@L 10//, E&A (*@LL, &UWMB(! 55
&n contraste con los viscosificadores, muchos %olímeros defloculantes tienen cadenas mas cortas y por lo tanto un menor peso molecular! &l proceso de (efloculaci$n y 'delga"amiento se diferencia del proceso de dispersi$n en que el defloculante separa los fl$culos en aglomerados ordenados, mientras que los dispersantes producen inicialmente de floculaci$n y luego separan y dispersan las partículas, permitiendo en muchos casos, su fraccionamiento y la acumulaci$n de s$lidos finos!
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Cómo Calcular la Cantidad de 7ditivos en un lodo) ' medida que se va perforando, el volumen de lodo se va creando casi informalmente, o sea, se agrega una cantidad de la fase continua 4agua o aceite7, reempla"ando el volumen de s$lidos removidos del lodo y el fluido que se ha perdido hacia la formaci$n o en superficie! &l tratamiento con aditivos es hecho en superficie a trav#s del embudo y del barril químico? y la cantidad de los mismos dependerá de las propiedades del lodo 4 (ensidad, viscosidad y p#rdida de filtrado7! %ara agregar estos materiales, se toma en cuenta las especificaciones del material, generalmente dadas en peso! Los procedimientos exactos para determinar matemáticamente las cantidades de aditivos son muy variables! &l uso del balance de masas es #l mas usado! ; . (l . P ; 6 (l 6 P XX!; n (l n ; f (l f (onde3 ;3 ;olumen de me"cla (3 (ensidad de me"cla La densidad de la me"cla 4(l f7 es la suma de las densidades de los materiales, por lo tanto es necesario conocer las densidades de los materiales que intervienen en la me"cla (ara densificar)
'l agregar material densificante o pesado, aumenta la densidad del lodo, pero tambi#n puede incrementar el volumen del sistema! 9i se desea tener un volu men de lodo de una densidad (l . 4Lpg7, a partir de un volumen igual de un lodo mas liviano (l 4Lpg7! La 57
densidad de la :arita es aproximadamente 01!1 Lpg? si se quiere preparar un barril de lodo, el balance de masa será3 35.5
x ;ol! de :arita P 4. 5 ;ol! :arita7 (l .
;ol :arita 3 ;olumen de :arita a a)adir por barril de lodo original ;ol! :arita (l . 5 ( l I 01!1 5 ( l La :arita tiene una densidad de .2/ Libras por barril aproximadamente, entonces para alcan"ar la densidad deseada, se necesitarán para cada barril de lodo original libras de :arita3 1 .2/ 4(l . 5 (l7 I 01!1 5(l
&sta es la f$rmula para la densificaci$n con :arita sin aumento de volumen del sistema! 9i se desea densificar un lodo con densidad (l a)adiendo material densificante hasta obtener un lodo con (l 6, siendo tolerable un aumento del volumen, el balance de masa será3 35.5
x ;ol! :arita P (l 4.P ;ol! :arita7 x (l 6
;ol! :arita (l 6 5 (l I 01!1 5 (l
4Lbs de :arita7
1 Cantidad requerida por cada barril de lodo de densidad (l 4Lpg7
(ara diluir)
9i por el contrario se desea disminuir la densidad del lodo, generalmente se obtiene mediante adici$n de agua 4lodos base agua7! 'l igual que en el proceso de densificaci$n, la adici$n de agua se puede calcular mediante dos m#todos, los cuales dependerán de sí
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se requiere o no el aumento del volumen del sistema! 9i no se desea que haya un aumento de volumen, se debe emplear la siguiente f$rmula3 ;ol! de agua a a)adir (l 5 (l . I (l 5 Q!00
4:ls7
&l volumen de agua a a)adir es igual al volumen de lodo original que hay que descartar antes de a)adir el agua! 9i por el contrario, se desea tener un aumento del volumen, se debe calcular #l numero de barriles de agua que hay que a)adir a cada barril de lodo original para lograr la densidad (l 6 deseada3 ;ol! de agua (l5(l 6 I (l 6 5 Q!00
4:ls7
9e utili"a Q!00 Lpg para el caso de agua dulce, pero estas f$rmulas pueden ser adaptadas a cualquier tipo de fluido que se a)ada al sistema, solo bastará conocer la densidad del mismo! &l porcentae de %etr$leo en volumen contenido en los lodos de perforaci$n, se determina a trav#s de la retorta o destilador! &l nivel líquido en la probeta graduada menos el nivel de agua en la misma, da el porcentae de petr$leo! &l porcentae de agua en lodos densificados se calcula igualmente mediante un ensayo de retorta, la sal en la fase acuosa es retenida con los s$lidos en ese tipo de ensayo, por lo tanto, el nivel de agua de la probeta graduada es el porcentae de agua no corregido 4 U 7! %ara lodos no densificados o con poca cantidad de :arita, la siguiente formula es generalmente mas precisa que una lectura de retorta3 U
(onde3 (l3 (ensidad del lodo, Lpg
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; 3 %orcentae de petr$leo en el lodo 9i en la fase acuosa del lodo hay menos de .//// ppm de sal, entonces U puede quedar sin corregir! &n caso contrario se tiene3 R 'gua U P C C 3 Correcci$n por sal C /!.0 x ppm de sal x U I 0/////
9i el porcentae de petr$leo y el porcentae de agua han sido correctamente determinados, el porcentae de s$lidos 4en volumen7, se puede calcular así3
R 9$lidos .// 5 R agua 5 R petr$leo
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Tipos de fluidos de perforación) &xisten diferentes tipos de perforaci$n y para cada una de ellas existe un tipo de fluido específico! 9in embargo, para poder hacer un dise)o del lodo de perforaci$n $ptimo es necesario considerar varios factores entre los cuales están3 !5 9elecci$n adecuada del fluido de acuerdo a la profundidad, presi$n y temperatura encontradas durante la perforaci$n del po"o! !5 (ebe tenerse un continuo y planificado mantenimiento del lodo para poder mantener las propiedades reol$gicas, permitiendo obtener altas tasas de penetraci$n, hoyos estables y reducci$n de costos! !5 &l conocimiento de las características litol$gicas es de gran importancia para la planificaci$n y selecci$n del lodo a usar! 'demás, deben conocerse las características del equipo de superficie, disponibilidad de aditivos y equipos de control de s$lidos! Los fluidos de perforaci$n se pueden clasificar en tres grandes grupos3 Lodos base agua Lodos base aceite Lodos base gaseosa
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odos
+ienen como característica básica una fase acuosa que contiene sal a baas concentraciones y 'rcillas s$dicas? son simples, baratos ya que los aditivos mas usados son viscosificantes, dispersantes, soda cáustica y :arita! 9on dise)ados para perforar "onas arcillosas hasta temperaturas de 66/ D> y son difíciles de tratar cuando sufren contaminaciones! &ste sistema esta conformado de la siguiente manera3 odos de 7gua 'resca)
Btili"ado en formaciones duras, el agua utili"ada puede ser dulce o salada dependiendo de la disponibilidad! 9e emplean altas velocidades anulares para la remoci$n de los s$lidos y se complementan con el bombeo de píldoras viscosas! &n este sistema los s$lidos son removidos por sedimentaci$n! odos Nativos)
&n casi todas las áreas, se consiguen formaciones arcillosas y lutíticas en superficie, las cuales se me"clan con el agua formando lodos naturales que tienden a tener altas viscosidades a medida que más se circula el lodo y por lo tanto requieren de una alta diluci$n! 9on utili"ados para perforar "onas superficiales hasta .1//Y ya que no requieren de control químico y su densidad nunca sobrepasa ./!/ Lpg! Eo requiere control de filtrado, ni de las propiedades reol$gicas! 9u mantenimiento esta limitado a controlar los s$lidos durante la perforaci$n!
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odos de 7gua3
&stán constituidos por agua y :entonita y tiene como característica principal tener una buena capacidad de acarreo, con viscosidad controlada y control de filtrado! &s un lodo de inicio, que permite mantener un buen revoque protector sobre las formaciones perforadas, buena limpie"a del hoyo! 9e puede utili"ar hasta ///Ycon peque)as adiciones de Cal lo cual redunda en ahorros de dinero y tiempo! odos con Taninos 3/oda Custica)
@ncluye lodos base agua con una me"cla de 9oda Cáustica y +aninos como adelga"adores, puede ser de alto bao %h! &s conocido como lodo roo y puede ser preparado a partir de lodos naturales requiriendo baas cantidades de :entonita para obtener buenas propiedades! Eo son utili"ados frecuentemente ya que son afectados por altas temperaturas! odos
&s un sistema cuya fase acuosa tiene una composici$n química que le permite evitar la hidrataci$n y desintegraci$n de las 'rcillas y Lutitas hidratables mediante la adici$n de Calcio al lodo, lo cual permite el intercambio i$nico para transformar las 'rcillas s$dicas a cálcicas! ' medida que las plaquetas de 'rcilla se deshidratan, el agua absorbida en la 'rcilla se libera, produci#ndose una reducci$n del tama)o de las partículas e incremento del agua libre, con una reducci$n sustancial de la viscosidad! &ste intercambio i$nico permite obtener un lodo con mayor cantidad de s$lidos y propiedades reol$gicas mínimas y más resistentes a contaminaciones severas! La fuente de Calcio se obtiene con la adici$n de Cal, -eso y Cloruro de Calcio y se pueden obtener los siguientes tipos de fluidos3
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odos de /almueras de 'ormiato)
+#rmino aplicado a tres compuestos solubles en agua3 >ormiato de 9odio 4EaCOOH7, >ormiato de %otasio 4TCOOH7 y >ormiato de Cesio 4CsCOOH7 las cuales son sales alcalinas metálicas procedentes de 'cido >$rmico! Las salmueras de >ormiato proveen soluciones salinas de altas densidades y baas viscosidades? no son da)inas la medio ambiente y se biodegradan rápidamente, son antioxidantes poderosos que ayudan a proteger a los viscosificadores y a los %olímeros reductores de filtrado contra la degradaci$n t#rmica hasta temperaturas de por lo menos 0// D>! 9on compatibles con las aguas de formaci$n que contiene 9ulfatos y Carbonatos, por lo tanto reducen la posibilidad de da)ar la permeabilidad por la precipitaci$n de sales? su costo es alto en comparaci$n con otros sistemas! odo a %ase de (ol-meros , KCl)
9u prop$sito es el de inhibir por encapsulamiento yIo reempla"o de iones de hidrataci$n da las Lutitas de formaci$n con alto contenido arcilloso, minimi"ando problemas de derrumbes y ensanchamiento de hoyos! 9e utili"a agua fresca o de mar en su preparaci$n, además de %olímeros y :entonitas prehidratadas los cuales deben agregarse lentamente al agua conuntamente con el TCl hasta obtener la viscosidad requerida! &l %h se logra con TOH en lugar de EaOH y se trata de mantenerlo entre 2!/ y ./!/! 9e necesitan aproximadamente .!1 LbIbbl de TOH para obtener el mismo %h que se obtiene con .!/ LbIbbl de EaOH! &l TOH proporciona 0///ppm de ion %otasio 4T7 por cada LbIbbl agregada! &n cuanto a las propiedades reol$gicas, este sistema de lodos proporciona altos puntos cedentes, baas viscosidades plásticas y altas perdidas de filtrado, para lo cual se usan %oliacrilatos de 9odio 4(rispac, CMC 7, como controladores de filtrado!
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odos tratados con Cal)
9e caracteri"an por utili"ar Cal 4Ca4OH7 7 como fuente de Calcio soluble en el filtrado! &sta compuesto por3 9oda Cáustica, (ispersante orgánico, Cal, Controlador de filtrado, 'rcillas comerciales! 9e pueden emplear en po"os cuya temperatura no sea mayor de 61/D> ya que se pueden gelificar en alto grado causando problemas graves durante la perforaci$n! +iene la ventaa de soportar contaminaci$n con sal hasta concentraciones de K/!/// ppm! odos tratados con eso)
Btili"an 9ulfato de Calcio 4Ca9O L 7 como electrolito para obtener la inhibici$n de las 'rcillas y Lutitas hidratables! +ienen un ph entre 2!15./!1 y contienen concentraciones de K// 5 .!6// ppm de Calcio en el filtrado! Han sido utili"ados para perforar "onas de 'nhidritas pero tienen tendencia a flocularse por deshidrataci$n del lodo por temperatura! 9e pueden tratar con Lignosulfonato >errocr$mico para el control de la viscosidad, resistencia al gel y alcan"ar altas densidades? son resistentes a solidificaci$n por temperatura debido a su baa alcalinidad! odos tratados con ignosulfonato de Cromo)
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Los lignosulfonatos de Cromo se adhieren sobre partículas de 'rcilla por atracci$n de valencia del borde del enlace fracturado, reduciendo de esa manera la fuer"a de atracci$n entre las partículas y esto explica la habilidad del dispersante para reducir la viscosidad y resistencia gel! 'demás, la presencia del Cromo tiende a inhibir las 'rcillas manteni#ndolas en su condici$n natural! La utili"aci$n de Lignosulfonatos provee las siguientes ventaas al ser usados3 Control de propiedades reol$gicas, &stabilidad del hoyo, Compatibles con diversos aditivos, Controlador de filtrado, Meor tasa de penetraci$n, ran flexibilidad, Menor da)o a las formaciones, *esistentes a la contaminaci$n química, >ácil mantenimiento!
odos en agua salada) &ste tipo de lodo tiene una concentraci$n de sal por encima de ./!/// ppm hasta valores de 0.1!/// ppm! La sal generalmente act8a como un contaminante en los sistemas de agua dulce, produciendo incremento de viscosidad, de la resistencia de gel y las perdidas de filtrado! &l poder de inhibici$n de la sal sobre las 'rcillas se incrementa a medida que se incrementa la concentraci$n de sal! &l ani$n 9odio proveniente de la sal provoca floculaci$n de la 'rcilla hidratada, originando altas viscosidades con una adici$n mínima de :entonita? con el tiempo la masa del ion 9odio sobre la 'rcilla hace disminuir las plaquetas, se libera agua y entonces se produce una disminuci$n de la viscosidad! Los lodos salados tienen altas tasas de filtraci$n, por lo que se hace necesario el empleo de aditivos controladores de filtrado! Los lodos salinos pueden ser utili"ados en varias situaciones y las ra"ones de su uso pueden ser las siguientes3 %ara perforar "onas con agua salada y domos de sal para
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evitar desmoronamiento de las formaciones a trav#s de un equilibrio osm$tico? %eque)as concentraciones de sal 40R7 son suficientes para evitar la hidrataci$n de las 'rcillas y Lutitas hidratables, en especial en "onas productivas? se pueden utili"ar cantidades suficientes de sal hasta alcan"ar la saturaci$n, poseen una baa viscosidad, punto de cedencia alto y gran poder de inhibici$n!
odos de
9on lodos de base agua con %olímeros como agentes viscosificantes y con bao contenido de :entonita o compuesto coloidal, lo cual disminuyen la tendencia a la floculaci$n y degradaci$n de los aditivos cuando puedan existir problemas de hinchamiento de 'rcillas, efectos de altas presiones y temperaturas, presencia de formaciones solubles de Calcio, fluo de agua salada, intercalaciones de sal, etc! La eficiencia durante las operaciones de perforaci$n depende en alto grado del contenido de s$lidos coloidales y de la viscosidad plástica del fluido en la mecha? lodos con un contenido de 1R por volumen de s$lidos coloidales de baa gravedad, en concentraciones de :entonita menores de .1 L%: permiten obtener grandes beneficios como3 @ncremento de la tasa de penetraci$n, meora en la limpie"a del hoyo, meora la estabilidad del hoyo! &ste sistema de lodos con bao contenido de :entonita ha sido utili"ado con resultados positivos, reduciendo los costos del lodo hasta en un 0/R, además de disminuir los problemas colaterales como atascamientos diferenciales, hidrataci$n de las 'rcillas e inestabilidad del hoyo!
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odos
&l aire que es circulado a presi$n para poder levantar los cortes hechos por la mecha durante la perforaci$n! Los cortes ya pulveri"ados por efecto de las altas velocidades, son circulados hacia la superficie! &sto requiere de equipos especiales como cabe"ales e inhibidores de polvo? además, el volumen de aire requerido es suplido por un sistema de compresores! La desventaa más importante del uso de este sistema de lodo es la posibilidad de incendio y explosi$n en el fondo del po"o por diferentes causas como3 >ormaci$n de anillos de lodo entre los recortes de perforaci$n y la humedad? al detener la circulaci$n, el gas comien"a a acumularse produci#ndose ignici$n cuando la relaci$n gasIaire alcan"a el .1R! Otra desventaa es la producci$n de chispas dentro del hoyo al perforar arenas de Cuar"o con mechas de Carburo de +ugsteno, y por ultimo, la formaci$n de agueros peque)os en la sarta los cuales al pasar aire presuri"ado a trav#s de ellos, la fricci$n producida hace que el gas recaliente la tubería produci#ndose una "ona de alta temperatura que favorece la ignici$n de la me"cla!
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odos Espumosos con Nie%la)
La presencia de acuíferos o hidrocarburos durante la perforaci$n de un po"o, hace necesario utili"ar una me"cla de aire 4/R7 y abones, los cuales forman un fluido capa" de limpiar los cortes y producen un hoyo estable! +ienen la gran ventaa que si el fluo de agua es muy severo, es necesario necesario inyectar aire al agua para reducir reducir la presi$n presi$n hidrostática sobre la formaci$n!
/istema :iscoelstico) &ste tipo de fluido conocido tambi#n como fluidos de reología específica o fluidos :iopolímeros son fluidos %seudoplásticos o sea con comportamiento independiente del tiempo, caracteri"ados por tener propiedades viscoelásticas, o sea, viscoso como un liquido y elásticos como un s$lido! La viscoelasticidad es el grado de deformaci$n o esfuer"o elástico alcan"ado por un fluido antes de iniciar su transformaci$n de un estado casi s$lido a un estado casi liquido de allí se tiene que un fluido viscoso se deforma o fluye al aplicarle tanto un esfuer"o como una deformaci$n, pero no se recupera cuando se suspende la fuer"a, mientras que un fluido elástico recupera su forma original al remover el esfuer"o, siempre y cuando la deformaci$n no exceda el limite elástico del material! Los fluidos fluidos viscoelásti viscoelásticos cos se caracteri"an caracteri"an por tener altas viscosidad viscosidades es a baas tasas de corte y desarrollar altos geles instantáneos pero frágiles y de fácil ruptura? además ofrecen baa resistencia al fluo con mínima presi$n de fondo y exhiben un esfuer"o verdadero de cedencia elevado que indica la transici$n del estado casi s$lido al estado casi liquido bao condiciones de corte mínimo!
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&stos fluidos se utili"an para la perforaci$n de po"os hori"ontales yIo direccionales por por su gran gran capa capaci cida dadd de limp limpie ie"a "a y susp suspen ensi si$n $n aun aun en cond condic icio ione ness está estáti tica cas, s, minimi"ando la formaci$n de lechos o camada de ripios que usualmente se forman en la "ona de máxima desviaci$n del po"o! &sta propiedad es medida en un viscosímetro :*OT>@&L(, con el cual se puede hacer mediciones a velocidades de corte por debao de 0 *%M y tasas de corte inferiores a 1!. seg5.! &s importante conocer la relaci$n existente entre la tasa de corte con la viscosidad expresada en centipoise y permitir conocer la viscosidad efectiva del fluido en el anular? para ello es necesario la utili"aci$n de *eograma! La interpretaci$n de los valores de n& y y K& es es otro de los procedimientos para saber el comportamiento de este tipo de fluidos? Gn indica la habilidad pseudoplástica del fluido y el factor GT el índice de consistencia, en otras palabras el esfuer"o cortante de la viscosidad de un fluido correspondiente a una tasa de corte de un segundo reciproco! Los fluidos %seudoplásticos se caracteri"an por dar valores baos de Gn y altos de GT a baas velocidades de corte, es por ello que es recomendable al usar estos fluidos, tratar de mantener valores de Gn lo mas bao posible y al mismo tiempo mantener valores de GT lo suficientemente altos como para proveer una buena capacidad de limpie"a, Los fluidos viscoelásticos son sistemas sencillos y fáciles de preparar! 9e preparan con agua fresca o salmuera no saturada y alrededor de cuatro a seis aditivos químicos! &l uso de salmuera en su preparaci$n ofrece ventaas como no da)ar la formaci$n por carecer de s$lidos suspendidos, además, aminora la perdida de viscosidad que sufren los polímeros con elevadas temperaturas y por ultimo, evita la precipitaci$n del visc viscos osif ific icad ador or cuan cuando do es nece necesa sari rioo agre agrega garr algu alguna na 'cri 'crila lami mida da Cati Cati$n $nic icaa para para complementar la acci$n inhibitoria del fluido! 70
&n la preparaci$n de los sistemas viscoelásticos no se utili"an 'rcillas comerciales como viscosificantes y de control de reología ya que estas son afectadas por los %olímeros usados como inhibidores produci#ndose un intercambio i$nico entre los s$lidos arcillosos y los aditivos usados para la inhibici$n y además por que estos s$lidos causan problemas de taponamiento y dan geles progresivos dependientes del tiempo! &n rempla"o de las 'rcillas comerciales, se utili"an :iopolímeros obtenidos mediante un proceso de fermentaci$n bacteriana! &stos dan viscosidad y capacidad de suspensi$n, meoran la hidráulica, disminuyen los problemas de torque y arrastre y reducen las perdidas de presi$n en fluo turbulento, permitiendo obtener menores presiones de bomba, altas tasas de fluo, meor resistencia de los motores de fondo y mayores tasas de penetraci$n! Los :iopolímeros son generalmente ani$nicos y proporcionan excelentes propiedades pseudoplásticas, baos valores de Gn y perfiles planos que facilitan una buena limpie"a del lodo! 9on poco resistentes a altas temperaturas 461/ D>7, pero su estabilidad estabilidad t#rmica puede ser meorada meorada manteniendo una alta concentraci$n concentraci$n de sal en el sistema! 'l igual que el resto de los componentes de este tipo de fluido! Los :iopolímeros son afectados severamente pos el cemento producto de las diversas cementaciones que se reali"an durante el proceso de perforaci$n! &s por ello que se deben tomar las precaucio precauciones nes para evitar evitar el contacto del del fluido con con el cemento! cemento! &l Calcio es otro de los contaminantes que debe mantenerse por debao de .// ppm para que no altere las condiciones del fluido! &l filtrado de los fluidos viscoelásticos se controla con 'lmid$n natural o modificado, el %h del sistema debe mantenerse entre < y 2 ya que variaciones por encima o por debao de esos valores causarían perdida de viscosidad y disminuci$n de la capacidad de acarreo y limpie"a del fluido!
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Los fluidos viscoelásticos minimi"an los problemas de arrastre, meoran las condiciones hidráulicas en la mecha, se obtienen meores tasas de fluo y de penetraci$n y reducen las perdidas de presi$n en fluo turbulento! 'lgunos de los sistemas viscoelásticos utili"ados por la industria para la perforacián de po"os hori"ontales son3 >LO5%*O, %&*5>LO, +H@S9'L, :'*'(*@L y ;@9%L&S
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/istema K3"ag) &s un lodo Lignosulfonato, ya que uno de sus componentes, el S%56/ es un Lignito de Crom Cr omo, o, el cual cual es cone conect ctiv ivoo de los los lodo lodoss Lign Lignos osul ulfo fona nato tos? s? pose poseee cuali cualida dades des inhibidoras que tienden a mantener las arcillas de la formaci$n en su condici$n natural! %rovee un excelente control de la reología del lodo, así como da estabilidad de las paredes del po"o, control de filtrado debido al efecto taponante de las sales >errocr$micas y a la buena dispersi$n que se logra a temperaturas elevadas, manteniendo bao pH entre 2 y ./!1 y un %f entre /!. y /!1, características estas que son propias de lodos Lignosulfonatos! 9on utili"ados en "onas con presencia de Lutitas inestables, poco consolidadas, en presencia de (omos de sal y en áreas con altas presiones y temperatura! &l sistema T5M' es un sistema base agua, ya que puede ser utili"ado en cualquier lodo base agua o convertirlo a sistemas T5M', lo que indica que tiene alguna afinidad con los sistemas base agua! &s compatible con todos los aditivos comunes para lodos!? esta dise)ado para controlar o minimi"ar el efecto sobre las Lutitas hidratables, disminuye el riesgo de embolamiento por presencia de arcilla umbo y aumenta la tasa de penetraci$n!
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/istema <7R7DRI3N) %ertenece a la familia de fluidos G(ril5in de :aroid, los componentes básicos del sistema son Celulosas no i$nicas modificadas y :iopolímeros para la suspensi$n de 'lmidones modificados y Celulosas para p#rdida de fluido, salmuera para el peso para balancear la salinidad de la formaci$n o prevenir la migraci$n de arcillas y los agentes puenteantes como lo son el Carbonato de Calcio o las sales para reducir la invasi$n de fluido! &ste sistema se ha formulado y dise)ado específicamente para perforar cuando existe alteraciones de las paredes del po"o tanto vertical como hori"ontalmente! %uede usarse en %otasio, 9odio o 9almueras de Carbonato de Calcio, agua de mar, agua fresca o soluciones de :romuro de 9odio! La distribuci$n del material de puenteo en este sistema minimi"a la invasi$n de la partícula y la perdida de fluido hacia la formaci$n! -a que el da)o a la formaci$n puede ocurrir de la dispersi$n de partículas, la migraci$n de los s$lidos finos, la hidrataci$n de las arcillas a cambio de la humectabilidad, es necesario reali"ar un estudio del comportamiento antes de dise)ar este sistema! &ntre los beneficios del sistema están3 •
%roporciona estabilidad al hoyo, mientras se perforan formaciones permeables
•
Contiene un ácido soluble y no perudicial a los espacios porosos
•
%ermite el incremento de densidad para el control de presiones
•
@mpide que s$lidos entren a la "ona de producci$n, ya que el agente puenteante tiene distribuci$n correcta de tama)o de partículas para asegurar delgabilidad y un revoque de permeabilidad baa!
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/istema (ER'O3DI') &ste &ste sist sistem emaa aísl aíslaa la "ona "ona prod product uctor oraa cont contra ra da)o da)os? s? prop propor orci cion onaa lubri lubrici cida dad, d, inhibici$n, suspensi$n de s$lidos y ripios y da estabilidad a las paredes del po"o! Los espacios porales permanecen intactos durante la reali"aci$n de las operaciones y son fácilmente removidos al poner el po"o en producci$n! &s utili"ado como contenedor de la perdida de filtrado, baa penetraci$n de fluido, fluido de empaque &n este sistema se se utili"a un Carbonato de Calcio metam$rfico metam$rfico como agente de puenteo, el cual es muy puro y con una distribuci$n del tama)o de las partículas cuidadosamente seleccionado! &l agente de puenteo combinado con %olímero viscosificante y agentes de control de filtraci$n, forman un revoque delgado en la superficie de la formaci$n expuesta, proporcionando un control instantáneo de la filtraci$n, lo cual permite la protecci$n de las formaciones productoras de da)os! &l sistema simplifica los procedimientos de limpie"a del equipo, reduciendo los días de perforaci$n ya que evita pasos costosos c ostosos que se requieren con fluidos convencionales!
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odos
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La calidad de una emulsi$n se puede probar de varias formas3 midiendo la estabilidad el#ctrica, aplicando un voltae a trav#s de dos electrodos al sistema, y se aumenta este hasta que fluya una cantidad predeterminada de corriente! La medida de emulsi$n es indicada por el fluo de corriente y la estabilidad por el voltae en el punto de fluo! &l aceite como fluido no conductor, no conducirá corriente? el agua si la conduce y en emulsiones inversas, el agua emulsionada en el aceite! %or lo tanto, el grado de emulsificaci$n puede ser indicado por la estabilidad el#ctrica!Z Otra prueba para determinar la estabilidad el#ctrica de la emulsi$n es la utili"aci$n del filtro prensa de 'lta %resi$n y 'lta +emperatura! 9i existe agua en al filtrado, entonces la estabilidad de la emulsi$n se esta rompiendo y se necesitan mas emulsificante! 9i no hay agua en el filtrado y la estabilidad el#ctrica es baa, el lodo esta en buenas condiciones! Los lodos base aceite tienen la propiedad de estabili"ar Lutitas con problemas! 9i esta presuri"ada, se puede perforar con un lodo de emulsi$n inversa con densidades de /!65/! LbsIgal menor que el requerido para un lodo base agua! &stos lodos fueron usados con mucho #xito luego que se comprob$ a nivel de laboratorio que poseen la propiedad 8nica de desarrollar fuer"as osm$ticas frente a formaciones de Lutitas, trayendo como resultado la extracci$n del agua de la Lutita, cuando suficiente cantidad de Cloruro de Calcio disuelto estaba presente en la fase acuosa del lodo base aceite! Cuando la fase acuosa del lodo contiene una salinidad mayor que la del fluido de formaci$n, se produce un efecto osm$tico? la membrana semipermeable producida por el ab$n de alto peso molecular en el lodo de emulsi$n inversa, dea entrar o salir agua si las condiciones son tales que pueda generarse una presi$n osm$tica! 9e sabe que el agua migra de una soluci$n menos salina a otra de mayor salinidad, si esta 77
presente una membrana semipermeable! &s por este fen$meno que una emulsi$n inversa puede realmente deshidratar formaciones lutíticas o arcillosas! odos %ase aceite :s. odos %ase agua
.! La preparaci$n inicial de los lodos base aceite toma mas tiempo y su costo es mayor al de los lodos base agua! 6! &l costo de mantenimiento de los lodos base aceite a altas temperaturas es menor! 0! Los problemas de torque, arrastre y atascamiento de tubería se minimi"an bastante con lodos base aceite! ! &l problema de contaminaci$n ambiental es mayor con los lodos base aceite! 1! Los lodos base aceite son menos afectados por los contaminantes comunes! K! La toma y análisis de n8cleos resulta meor con los lodos base aceite!
.
mantener un fluido de perforaci$n estable! &s el componente básico de los lodos base aceite? la concentraci$n correcta de emulsificante permitirá una buena emulsificaci$n, suspensi$n y el control de filtrado! Bna regla que debe cumplirse es que debe mantenerse siempre la concentraci$n de Cal en por lo menos la mitad de la concentraci$n de libras por barril usada para el emulsificante .
Controlador de 'iltrado)
&s un coloide orgánico dispersable en aceite? ayuda a la suspensi$n de s$lidos y provee estabilidad a alta temperatura a los lodos base aceite! *equiere de un emulsificante para trabaar adecuadamente! 7rcillas Organof-licas)
+ienen una estructura :entonítica que desarrolla un esfuer"o de geles, necesitan un aditivo polar como agua para desarrollar una fluencia máxima! Las 'rcillas organofílicas aumentaran las propiedades del cuerpo y suspensi$n a los lodos base aceite aun a temperaturas muy altas!
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Jumectante)
&s un 9urfactante Olioamídico graso y un emulsificante de agua en emulsi$n de aceite! >orma una emulsi$n ligera y deberá ser usado unto o como suplemento de emulsificante! @mparte estabilidad a alta temperatura a un lodo de emulsi$n inversa y es agente humectante rápido en aceite en el tratamiento de s$lidos humedecidos de agua! Espaciadores)
9on utili"adas para preparar fluidos especiales de lodos base aceite, tanto densificados como livianos para aliviar aprisionamientos diferenciales! Constituyen una me"cla especial de emulsificantes, lubricantes, gelificantes y otros aditivos que forman un fluido de emulsi$n inversa cuando son me"clados con aceite (iesel y agua! +ambi#n son usados para separar el lodo base aceite del cemento durante las operaciones de cementaci$n! Cloruro de Calcio)
'l me"clarlo en la fase acuosa de la emulsi$n inversa, proveerán una fuer"a osm$tica capa" de deshidratar formaciones moadas de agua!
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7lgunos clculos en lodos %ase aceite) (rocedimientos de ensa,o en lodos %ase aceite Densidad)
;arían de
&s afectada por la temperatura, debido a que la temperatura reduce la viscosidad del aceite mucho más rápido que la del agua! Reolog-a)
&s más complea que la de un lodo base agua, se regula mediante el control de s$lidos, el contenido de agua y la adici$n de químicos se determinan mediante el viscosímetro rotacional de seis velocidades y una copa t#rmica 4.6/V >7! &n lodos pesados base aceite, la viscosidad plástica es ligeramente mayor que para lodos base agua! 9e aumenta agregándole agua o s$lidos y se baa agregándole aceite y con los equipos de control de s$lidos! &l punto cedente se aumenta con un gelificante o agua y se baa con aceite o un surfactante! La fuer"a gel se aumenta agregando agua o arcilla organofílicas y se baa mediante la adici$n de aceite! 'iltrado)
(etermina la estabilidad de la emulsi$n, se corre a 1//V %9i y 0//V >! &l filtrado de un lodo base aceite debe ser .//R aceite y por lo general su valor es cero! 9i hay presencia de agua en el filtrado H%H+, es indicativo del rompimiento de la emulsi$n y de la necesidad de adicionar &mulsificante o un agente humectante!
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Esta%ilidad Eléctrica)
&s un indicativo de la calidad de la emulsi$n del agua en el aceite! &sta prueba no indica que un lodo este o no en buenas condiciones, solo indica la tendencia que tiene el lodo a meorar o empeorar! 9e mide con un probador de onda sinusoidal como el >'EE modelo 60 (! %ara medir la estabilidad el#ctrica se aplica un voltae a trav#s del electrodo sumergido en el lodo y se aumenta gradualmente, más o menos 61/ voltiosIminuto, hasta que se estable"ca un pase de corriente a trav#s de las gotas de agua, una lu" roa indicará el fluo de corriente! Mientras mas peque)as sean las gotas, mayor será el voltae requerido para establecer un fluo de corriente y mayor será la estabilidad! 9i hay una caída repentina en el voltae, indica una posible entrada de agua, por lo que hay que agregar &mulsificante! 9i el voltae disminuye lentamente, puede ser indicativo de que la emulsi$n se está debilitando y se requiere adici$n de &mulsificante! %ara densidades del lodo entre Q .6 lpg es aceptable una estabilidad el#ctrica de // voltios o más! &n lodos pesados la estabilidad el#ctrica puede variar de 1// a 6/// voltios! /ólidos)
&n lodos base aceite los s$lidos deben estar completamente humedecidos con aceite ya que de no ser así, se desestabili"a al emulsi$n! Los s$lidos absorben el aceite y se humedecen entonces la estabilidad el#ctrica baa! La barita humedecida con agua forma grandes fl$culos que tienen alta tasa de asentamiento! Relación 7ceite 7gua) % Aceite en la fase liquida = % Aceite po !olu"en # 100 % $otal fase liquida
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% Aua en la fase liquida = % Aua po !olu"en # 100 % $otal fase liquida % $otal fase liquida = % Aua po !olu"en & % Aceite po !olu"en
Relación aceite / agua ! "ceite en la #ase li$uida ! "gua en la #ase li$uida
(el análisis de retorta se calcula #l R de aceite en la fase liquida 'o"o ca"(ia la elaci)n Aceite * Aua+
&emplo3 Cambiar la relaci$n aceiteIagua de 6// barriles de lodo base aceite a QKI . 'nálisis de retorta3 Aceite = 70 Aua
= 16
,)lidos = 14 elaci)n aceite * aua = 70 * 70&16 / # 100 16 * 70&16 / # 100
*elaci$n aceite I agua Q. I .2 /e cam%iara la relación de B22A a BH 2L. /e re$uiere para ello aceite. /e de%e calcular la cantidad de aceite re$uerida) 200 # 0.70 = 140 ((ls de aceite 200 # 0.16 = 32 ((ls de aua % Aceite equeido en fase liquida=
ol aceite oiinal ((l/ & ol aceite nue!o/ ol aceite oiinal & ol aua& ol aceite nue!o/
0.86 = 140 & ol / * 140 &32 &ol/ 0.86 172 & ol/ = 140 & ol ol = 7.92 * 0.14 = 57 ((ls
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/e necesitan 5P %arriles de aceite para cam%iar la relación a BH 2L
•
:enta8as , usos de los lodos %ase aceite 3
• • • • • • • • • •
(isminuci$n de pegas por presi$n diferencial %erforaci$n de formaciones solubles en agua e hidratables %erforaci$n de po"os desviados +oma de n8cleos %erforaci$n en "onas con altos gradientes de temperatura %erforaci$n en "onas con alta cantidad de s$lidos incorporados &n ambientes corrosivos %erforaci$n en formaciones de sal o 'nhidrita &n formaciones de baa presi$n %erforaci$n bao balance o
• • • • • •
Usos)
:enta8as)
Eo es afectado por altas temperaturas Eo es afectado por formaciones solubles %rev# el aprisionamiento %rotege contra la corrosi$n *esistente al fuego *educci$n de torsi$n y arrastre
Tipos de lodo
9e aplican en áreas con "onas de perdida de circulaci$n o en formaciones con presi$n subnormal! 9on sistemas bastante estables y resistentes a la contaminaci$n y a altas temperaturas! &ntre sus desventaas esta la disminuci$n de la tasa de penetraci$n y el alto costo inicial? para su preparaci$n se puede utili"ar aceite diesel o aceite mineral! &emplo de estos sistemas3 @nvermul, &nviromul, ;ersadril, ;ersaclean
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odo %ase aceite con relación 5454)
&ste sistema se utili"a en "onas ambientalmente sensibles, donde el descarte de ripios es problemático? de allí que la cantidad de aceite a usar se reduce! (ebido a esto, la emulsi$n formada es poco estable y requiere de grandes cantidades de emulsificantes para poder mantener la estabilidad el#ctrica entre 6//50// ;oltios! 9u costo de mantenimiento y el consumo de Cloruro de Calcio son altos odo %ase aceite sin control de filtrado *sistema rela8ado+)
&n su formulaci$n no esta el emulsificante primario ni Lignito como controlador de filtrado? se logra meorar la tasa de penetraci$n y minimi"ar costos iniciales del lodo, es un sistema poco estable a altas temperaturas y requiere un mayor consumo de aceite! odo 244 Q aceite)
&s un sistema de lodos que tiene como característica principal no contener agua, esta formulado totalmente a base de aceite mineral o de otra naturale"a! & l grado de toxicidad de un producto se conoce mediante pruebas basadas en el ensayo de 2K horas LC1/, mediante el cual se determina la concentraci$n en ppm, que causa la muerte al 1/ R de la especie marina durante un tiempo de exposici$n de 2K horas! Las especies utili"adas para esta prueba son camarones de la clase Mysidopsis! &l sistema .//R aceite se utili"a para la toma de n8cleos en forma original y sin alteraci$n? utili"a un emulsificante d#bil el cual absorbe agua de la formaci$n y emulsionarla de manera efectiva en el lodo y no producir da)os ala formaci$n! Btili"a como controlador de filtrado un asfalto especial que no contiene surfactantes e igualmente como el resto de los lodos base aceite, utili"a Cal viva en peque)as concentraciones, la cual reaccionara con el emulsificante para formar un detergente en el caso de producirse una invasi$n de agua proveniente de la formaci$n! 85
Los aceites .//R son poco tolerantes a la contaminaci$n con agua 4solo hasta 1R7, y en caso de tener mas de 1R de invasi$n de agua, es fácil conseguir la conversi$n a una emulsi$n inversa! 'demás, este sistema presenta perdidas de volumen en superficie como producto de la gran adherencia del lodo con el ripio! &ntre algunos de los sistemas .//R aceite se tienen3 :aroid .//, +rudrill, Bni5Mul5Lt, Carboclean, ;ersaclean! /istemas /intéticos)
9on sistemas que utili"an en su preparaci$n bien sea un aceite sint#tico, un aceite a base de ester o un aceite farmac#utico! &stán formulados principalmente por una poli5 alfa5olefina 4%'O7 y una salmuera? el %'O es un líquido sint#tico que no contiene componentes aromáticos! 9e utili"an en su preparaci$n emulsificantes primarios, humectantes, arcillas organofílicas, cal y en caso necesario se pueden utili"ar modificadores reol$gicos! 9on sistemas con muy elevados costos por barril, por lo cual se requiere reali"ar estudios previos de factibilidad econ$mica para su aplicaci$n? además, son sensibles a la contaminaci$n con Calcio o -eso y a temperaturas mayores de 0// D>! W
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Contaminación de los fluidos de perforación) (urante las operaciones de perforaci$n se pueden adicionar al lodo de una forma directa o de las formaciones atravesadas materiales que pueden contaminarlo causando cambios no deseados en las propiedades físico5químicas del mismo! &n algunos casos, los componentes del lodo pueden transformarse en contaminantes! Bn eemplo es la disminuci$n de tasa de penetraci$n por el incremento de s$lidos producto de existencia de cortes de perforaci$n no removidos, :entonita agregada en exceso y alto contenido de :arita en el sistema! 9in embargo, los contaminantes que más afectan las propiedades de los fluidos, son aquellos que requieren de tratamiento químico para ser removidos! &l tratamiento debe contrarrestar al contaminante y sus efectos! &xisten contaminantes que se pueden predecir y por ende puede ser pretratado el fluido para evitar que los mismos causen problemas! &ntre estos contaminantes están3 el cemento, agua contaminada, sal, 9ulfuro de Hidrogeno y (i$xido de Carbono! &n lodos base agua, el agua es el ingrediente de control de todos los sistemas, ya que disuelve, suspende y rodea todos los otros ingredientes que constituyen el sistema! %or lo tanto, al saber el comportamiento químico de una sustancia con el agua, se podrá tambi#n saber cual será la reacci$n de ella con el fluido de perforaci$n! &s bueno recordar que los compuestos son mol#culas formadas de un átomo o grupo de átomos! 'l disolverse los electrolitos en agua, se subdividen en unidades más peque)as cargadas el#ctricamente llamadas iones que pueden ser un elemento o una combinaci$n de elementos! 'lgunos elementos son3 Ea 4sodio7, O 4oxigeno7, H 4hidrogeno7, C 4carbono7! &stos al disociarse en agua se transforman en Ea PP , Cl 5 , H P , OH 5
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Contaminación con Cloruro de /odio *sal+) La contaminaci$n con sal puede provenir de varias fuentes y entre ellas se pueden encontrar3 agua de preparaci$n del lodo, estratos de sal atravesados durante la perforaci$n, fluo de agua salada, etc! &sta contaminaci$n con sal no se puede remover del lodo con químicos? la sal dentro del lodo cambia la distribuci$n de cargas en la superficie de las arcillas, originando floculaci$n que causa aumento de las propiedades reol$gicas y de la perdida de filtrado! -a que la sal no puede ser precipitada por medios químicos, las concentraciones de sal serán eliminadas solamente con dilaci$n con agua dulce! (ependiendo de la severidad de la contaminaci$n, se escogerá el agente usado para reacondicionar el lodo! 9istemas de lodos tratados ligeramente con Lignosulfonato pueden tolerar hasta .//// ppm de sal! Cuando se encuentran fluos de agua salada, las altas concentraciones de Ea P , tiende a reempla"ar algunos de los iones H F en la superficie de las 'rcillas y reduce el %h ligeramente!
Contaminación con Calcio) 'l igual que la sal, el Calcio constituye otro de los contaminantes de los fluidos de perforaci$n! %uede incorporarse al lodo en el agua de me"cla, cuando se perfora cemento luego de una cementaci$n, al perforar formaciones de 'nhidrita o yeso! @gualmente el agua connata de las formaciones penetradas frecuentemente contienen Calcio y pueden transformarse en fuentes de contaminaci$n con Calcio! &l ion Calcio tiende a reempla"ar los iones 9odio produciendo floculaci$n y agregaci$n de partículas de 'rcilla! &l efecto de contaminaci$n con Calcio sobre los lodos es un
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aumento en la perdida de fluido, del punto cedente, resistencia de gel y reducci$n de la viscosidad plástica! La contaminaci$n con Calcio producida por agua de formaci$n o 'nhidrita, se trata usualmente con 9oda 'sh! 9i el %h esta por debao de ./!/ se aplica cualquier prueba especifica de Calcio para asegurar que el Magnesio no este presente! Los tratamientos excesivos con 9oda 'sh dan Carbonatos solubles en exceso que pueden ocasionar problemas reol$gicos!
Contaminación con Cemento) Ocurre cuando durante las operaciones de perforaci$n se cementan tuberías de revestimiento y se perforan tapones de cemento! &l cemento contiene varios compuestos 49ilicato +ricálcico, 9ilicato de Calcio y 'luminato +ricálcico7 los cuales reaccionan con el agua para formar Hidr$xido de Calcio 4Ca4OH7 7 , produciendo la contaminaci$n del fluido de perforaci$n! La Cal causa en el lodo reacciones químicas que afectan grandemente a las propiedades geol$gicas y perdida de fluido! La presencia de iones OH aumentan el %h drásticamente y las características de la 'rcilla! Los sistemas de agua dulce5:entonita son floculados por el cemento? para mantener un fluido de perforaci$n bao en Calcio se debe usar tratamiento químico para remover la contaminaci$n con cemento! 9e debe controlar el %h mientras se remueve el Calcio y el exceso de Cal del sistema! Bn saco de cemento de 2 Lbs! puede producir < Lbs de Cal, las cuales podrán reaccionar con el fluido de perforaci$n! 9i se conoce el volumen de cemento a perforar, se podrá hacer meores predicciones de tratamiento!
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%ara remover químicamente .// mgIl de Calcio originado de la Cal, se requerirán aproximadamente /!/<01 LbsIbbl de :icarbonato de 9odio o /!/2< de 9'%%! La reacci$n entre la Cal y el :icarbonato de 9odio es así3 CaOH P EaHCO G
CaCO G P H O P Ea F
(ebe tenerse mucho cuidado al pretratar el lodo, ya que un sobretratamiento con :icarbonato de 9oda o 9'%% puede afectar las propiedades del fluido de perforaci$n peor que una contaminaci$n con cemento! Eo es apropiado pretratar con mas que /!1 a /!<1 LbsIbbl de :icarbonato de 9oda! Los Lignosulfonatos y Lignitos son más apropiados como agentes de pretratamiento debido a que ellos amortiguan el %h y ayudan a deflocular el sistema! &l removimiento del ion Calcio con :icarbonato previene contaminaci$n pero no corrige el da)o hecho al sistema dispersado? es necesario usualmente tratar con defloculantes para obtener las propiedades reol$gicas deseadas! %ara volver las propiedades de filtraci$n y de revoque alteradas por la contaminaci$n, se usa :entonita prehidratada, CMC o (rispac!
Contaminación con 7nhidrita , eso) (urante el proceso de perforaci$n se pueden encontrar minerales y compuestos formando parte de la corte"a terrestre! &ntre ellos están la 'nhidrita y el yeso que son compuestos de 9ulfato de Calcio! &l yeso es 9ulfato de Calcio en agua de cristali"aci$n 4Ca9O 6H O7, mientras que la 'nhidrita es la forma anhidra 4sin agua7 del 9ulfato de Calcio! La contaminaci$n con 'nhidrita es similar a la contaminaci$n con cemento, ya que ambos contribuyen con el ion Calcio que origina la floculaci$n! Eo causa aumento del %h ya que suple un radical 9O en lugar de un radical OH 3? el radical sulfato contribuye
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a la floculaci$n de los s$lidos de arcilla! Concentraciones altas de 'nhidrita hacen que aumenten los iones Calcio por encima de 6// ppm, afectara la viscosidad aumentándola y la perdida de fluido se puede volver incontrolable! 'l surgir problemas de contaminaci$n con 'nhidrita, estos se pueden controlar manteniendo un fluido con bao contenido de Calcio precipitando este químicamente de la soluci$n, puede ser convertido en un sistema de lodo de -eso! 9i la contaminaci$n es peque)a! &l Calcio se puede remover con 9oda 'sh! 9e requieren aproximadamente /,/20 LbsIbbl de 9oda 'sh para precipitar .// ppm del ion Calcio 4Ca FF 7!
Ca9O L P Ea CO G
CaCO G P Ea 9 O L
9e forma 9ulfato de 9odio soluble que puede ocasionar problemas de floculaci$n con tratamientos prolongados, es por esta ra"$n que es recomendable un fluido base de Calcio cuando se va a perforar 'nhidrita masiva con un sistema de agua dulce!
Contaminación con Car%onatos) &n los fluidos de perforaci$n, los Carbonatos solubles se pueden introducir de una variedad de fuentes de CO ? si se genera internamente o entra al lodo de una fuente externa, este reacciona inmediatamente con los iones Oxihdrilos alcalinos para formar los iones HCO G y CO0 1 ! 9e establece un equilibrio químico que es controlado por las concentraciones de iones H F y OH o por el %h del lodo3 CO P OH 3 HCO G P OH 3
HCO G CO G P H O
&l ion HCO G predomina en el rango comprendido entre K!0 a ./!0 de %hYs y para %h sobre ./!0 el ion CO G 1 predomina! &ste %h es deseable para la remoci$n química de los Carbonatos solubles a CaCO G insoluble3 C' FF P CO0
CaCO G
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9i se selecciona Cal como tratamiento químico para la remoci$n del CO G 1 , el %h del lodo no necesita exceder ./!0, debido a que los iones OH formados de Cal, quedan disponibles para levantar el %h y convertir HCO G en CO G PP para la remoci$n subsecuente como3 Ca 4OH 7 P CO G 1
CaCO G P 6OH 3
Contaminación por degradación de componentes $u-micos del lodo) 9e puede definir degradación como un cambio irreversible de un componente del fluido que reduce la capacidad del aditivo para controlar una determinada propiedad! %or lo tanto es necesario un mantenimiento constante de los componentes del lodo para saber así sus capacidades y prevenir problemas con el sistema de lodos! 'l avan"ar durante la perforaci$n de un po"o, mayor será la posibilidad de degradaci$n de los componentes del lodo y mayores serán los gastos y el tiempo de mantenimiento del mismo en condiciones! &xisten varios tipos de degradaci$n, entre ellos están3 Degradación %acteriana) &ste tipo de degradaciones causado por una bacteria durante su etapa de desarrollo y
por supuesto requiere de condiciones apropiadas 4minerales, potencial de Hidrogeno adecuado y +emperatura7, así como de agua como fuente de vida! 'l suspender alguna de estas condiciones, se evitara el desarrollo de las mismas! &l control del %h del lodo es uno de los factores más importantes para prevenir la degradaci$n bacteriana, ya que las bacterias se desarrollan a baas temperaturas y en un %h entre 1!/ y 2!/! 9e detecta por un olor a material orgánico en descomposici$n! &l uso de bactericidas 4materiales inorgánicos como la sal, el Cromo7, evitan su crecimiento!
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Degradación Térmica)
Ocurre por distintos mecanismos como la hidr$lisis 4reacci$n de una sal para formar un ácido y una base7, reacci$n entre dos o más componentes del lodo! La degradaci$n t#rmica será más rápida a mayor temperatura? casi todos los aditivos químicos tienden a sufrir degradaci$n entre 61/ D> hasta // D>! 9e recomienda evaluar los aditivos a la máxima temperatura de fondo registrada, utili"ar mantenimiento adecuado al lodo, mantener un %h ./!K, efectuar pruebas pilotos en el campo para optimi"ar el uso de aditivos, para prevenir la degradaci$n t#rmica! Degradación por o6idación)
&s la degradaci$n producida por oxidantes como el Oxigeno, solamente ocurre a elevadas temperaturas y siempre se complementa con la degradaci$n t#rmica! La presencia de agentes químicos, la concentraci$n de aditivos químicos sensibles a la degradaci$n por temperatura, son factores que contribuyen a la degradaci$n por oxidaci$n! La concentraci$n de Oxigeno puede evitarse mediante la aplicaci$n de ciertas t#cnicas como lo son3 Mantenimiento del lodo con geles baos y uso de antiespumantes, utili"aci$n de equipos de control de s$lidos para evitar el menor contacto del lodo con la atm$sfera y eliminar las filtraciones de aire en las líneas de succi$n de la bomba!
Contaminación con sólidos) [ui"ás el peor contaminante de un fluido son los s$lidos producidos durante la perforaci$n de un po"o! &stos s$lidos afectan las propiedades geol$gicas y la velocidad de penetraci$n, además contribuyen al desgaste de las tuberías y equipos de perforaci$n, y además causan da)os a las formaciones productivas afectando el costo
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del po"o! La concentraci$n de s$lidos perforados se pude reducir por dilaci$n, floculaci$n selectiva o por medio de equipos de remoci$n mecánica! La contaminaci$n con s$lidos no tiene efecto sobre las propiedades químicas del lodo, pero sin embargo, proporciona signos iniciales como cambio en la densidad del lodo, viscosidad plástica, resistencia del gel, punto cedente, aumento del M:+! La remoci$n mecánica constituye una soluci$n importante al problema de los s$lidos en el lodo durante la perforaci$n! (ebe incluirse "arandas o vibradoras, desarenadores, deslimadores y centrifugas! &l control de s$lidos por medio de la dilaci$n, resulta generalmente costoso, ya que por cada barril de agua adicionado se tiene que agregar cierta concentraci$n de aditivos en libras por barril para mantener la concentraci$n del volumen total del lodo y las propiedades del mismo en el rango deseado!
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Clculos <sicos en 'luidos de (erforación) 'ntes y durante la perforaci$n de un po"o se debe preparar y mantener grandes cantidades de lodo, los cuales ocuparan un volumen especifico tanto en el hoyo como en los equipos de superficie! Comen"ando con los equipos de superficie, a continuaci$n se presentan los cálculos de los vol8menes ocupados por el lodo en el hoyo perforado3 :olumen en los tan$ues)
&n un taladro de perforaci$n pueden existir varios tipos de tanques, dependiendo de su forma y medida! 'sí se pueden tener3 Tan$ue Rectangular)
A
*
D
A 5#argo *5 $ro6undidad D5 Anc7o
olumen (*ls)5
Largo (+,es) - !/o (+,es) - Prod,dad (+,es)
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Tan$ue Rectangular con 7ngulo)
9e toma la distancia de la parte de arriba 4'7 y se le suma la distancia de la parte de abao 4:7 y se divide entre 6 '* = +: / 2 olumen (*ls)5
Largo (+,es) - !/o (+,es) - Prod,dad (+,es)
Tan$ue Cil-ndrico)
3
olumen (*ls)5
3
$,aetro (+,es) - 3.1416 - Prod,dad (+,es)
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:olumen en el Jo,o)
Ha medida que se avan"a en profundidad durante la perforaci$n de un po"o, la mecha va haciendo o fabricando el hoyo y por supuesto será este el lugar donde se encuentra el fluido de perforaci$n! @maginemos el po"o como un cilindro cuyo diámetro debe ser en teoría, el mismo diámetro de la mecha!? sin embargo, debido a la diversidad de formaciones existentes y a sus características de consolidaci$n, hacen que el diámetro del hoyo generalmente sea mayor que el de la mecha! ' nivel de campo, existen varios m#todos para saber en realidad cual es el verdadero diámetro o Caliper del po"o, cuesti$n que es de gran ayuda al momento de calcular los vol8menes reales del po"o tanto para el proceso de perforaci$n como la cementaci$n del mismo! 9in embargo, y como una guía para el cálculo del volumen del hoyo abierto, se considera el diámetro del hoyo igual al diámetro nominal de la mecha . V&. h (:&) = D'3*2 (p&) x n, (p) x 0.000972 $
oo +erorado
L
Ter,a de Perora/,o
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'l correr el revestidor, tambi#n se necesita conocer el volumen de lodo en el mismo, lo cual facilitará saber la cantidad o volumen de cemento que se requiere colocar en el espacio anular3 Vol% Revest (&ls) Dia'etro (ulgadas) * +ongitud (ies) * 0%000,
@gualmente, durante la perforaci$n es necesario conocer la capacidad y despla"amiento de la tubería de perforaci$n que se este utili"ando? &sto permitirá saber durante un viae de tubería si el po"o esta tomando la cantidad de barriles te$ricos durante el llenado del po"o 4sacando tubería7 y si en el momento de meter tubería, la cantidad de lodo despla"ada debe concordar con el volumen te$rico de despla"amiento de la tubería! &stos vol8menes de capacidad y despla"amiento de la tubería de perforaci$n están tabulados para diferentes diámetros? el conocimiento de estos vol8menes permite al operador tener una herramienta para detectar en cualquier momento problemas operacionales como p#rdidas de circulaci$n y arremetidas, los cuales si no se detectan a tiempo pueden causar da)os mayores!
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Capacidad , Despla#amiento de la Tu%er-a de (erforación)
&l volumen total del hoyo incluye el volumen del hoyo abierto más el volumen dentro del revestidor .
Ca+a/,dad de a ter,a de +erora/,o
D int9 Es+a/,o !ar
D e8t9
Ter,a de Perora/,o
oo +erorado
V&3n % # Vol.-oyo aierto / Vol. re0est.*Desplaz.tu. perf V&3n ,p&';. # )Diam. E%t. +2 * )Diam. 1nt.+ 2 % Lon"itud )pies+ % $.$$$23&
&l despla"amiento y la capacidad de la tubería de perforaci$n varían de acuerdo al diámetro nominal de la misma y existen tablas específicas para cada tipo de tubería de perforaci$n! Densidad E$uivalente de Circulación *ECD+
%resi$n hidráulica efectiva eercida por el lodo! &s el efecto combinado de la densidad del lodo y de la fuer"a requerida para circular el fluido a trav#s del sistema! &n fluo turbulento se logra disminuir la caída de presi$n baando la velocidad de circulaci$n y en fluo laminar, baando el punto cedente!
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;alores altos de &C( pueden causar fracturamiento de la formaci$n y p#rdida de fluidos! ECD (ens del lodo P caída de presi$n 4lbcIpul 6 7
%rofundidad J /!/16 Ca-da de presión en la mecha)
%m A J ; 6 4lbsIpulg 6 7
..6/
A densidad del lodo en lbsIgal ; velocidad a trav#s de los ets 4píeIseg7 ; /!06 J %M 4píeIseg7
\rea
%M galones por minuto \rea área de los ets en pulg 6 (otencia Jidrulica en la mecha)
Habilidad que tiene el fluido de perforaci$n de remover los recortes del fondo del hoyo sin reperforarlos y sin disminuir la tasa de perforaci$n . &s funci$n de la caída de presi$n en los ets y del caudal de la bomba! HH%: %: J %M .<6 %: Caída de presi$n en los ets 4lbsIpulg 6 7 %M Caudal de la bomba!
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La potencia hidráulica es máxima cuando la caída de presi$n a trav#s de la mecha es por lo menos, el KKR de la presi$n de bomba! ' mayor caudal, mayor será la fuer"a de impacto :olumen 7nular)
&s el volumen que se encuentra entre la tubería de perforaci$n y las paredes del hoyo o del revestidor Vol. 4nular # )Vol. del -oyo con tuería+ * )Cap. tuería+ * )Desplaz. Tuería+ Vol. 4nular # )D-oyo& * Dtu.& + % Lon"itud % $.$$$23&
Caudal de la
&l lodo inicia su recorrido a trav#s de todo el sistema de circulaci$n partiendo de la succi$n de la bomba 4s7 de lodo y completa el ciclo al retornar a superficie y volver al tanque de succi$n! Cuando se reali"a un tratamiento del lodo, es necesario conocer el tiempo requerido para que el lodo realice el ciclo completo! eneralmente, el volumen de lodo bombeado es medido en alones por minuto o :arriles por minuto? el caudal de la bomba dependerá de su funcionamiento, la velocidad a la cual trabaa y el tama)o del liner instalado! C','& = (:& x E34&',') x (E34&',' x 3n)
(:&/3n)
5ls % Emolada # Diam.2 )pul".+ % Lon" )pul".+ % $.$$6&67 C','& = (D'3. 2 (p&.) x n (p&.)) x (E34&',' x 3n)
(:&/3n)
Las bombas Duple6 generalmente trabaan con un 2/R de eficiencia o menos dependiendo de sus condiciones de trabao! Las Triple6 0 por su mecanismo de trabao, su eficiencia es considerada en un .//R pudiendo variar hasta un 21R! Tiempo de Circulación) 101
&s el tiempo requerido para que el lodo cumpla el ciclo de circulaci$n, hay que considerar el volumen de lodo y el caudal de la bomba! Los cálculos puede que no sean exactos debido a que es difícil determinar algunas veces la cantidad exacta de lodo en el hoyo abierto! Tiempo 'ondo 7rri%a)
&s el tiempo requerido para que el lodo suba desde la mecha a trav#s del espacio anular y llega a superficie! 9e puede calcular así3 T !n, '**4' (3n) = V&3n 'n&'* (:&) / C','& , &' 434' (:&/3n) V&3n n&'* # Vol. -oyo )5ls+ * Desplaz. Tuería )5ls+
Tiempo Circulación Completa)
&s el tiempo necesario para que todo el volumen de lodo 4vol! hoyo P vol!tanques7, realice una circulaci$n completa3 Tiempo Circulación Completa 1 :olumen total de lodo *
:elocidad 7nular) La velocidad anular ayuda a transportar los recortes o ripios de perforaci$n a la superficie! 9e determina con el caudal de la bomba y el volumen anular! ;aría dependiendo de las operaciones de perforaci$n! ;elocidades anulares altas pueden ocasionar problemas de erosi$n
y rangos baos de velocidad pueden ocasionar
problemas de empaque de la tubería! V&c,', n&'* (p/3n) = C','& 434' (:&/3n) 1029/ (D.h 2 ) -(D. 42 )
:elocidad Cr-tica) 102
&s la velocidad anular a la cual el modelo de fluo cambia de aminar a Tur%ulento ! (entro de la tubería de perforaci$n, se puede calcular así3 Vc # 1.078 VP + 1.078
(VP) 2 + 12.#" ( D) 2 x PC xW / W (D +
Dentro del espacio anular:
Vc # 1.078 VP + 1.078
(VP) 2 + 9.256 ( Dh - Dp ) 2 x PC xW / W (Dh-Dp)
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