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Manual de prácticas de fluidos de perforación

CONTROL DE SOLIDOS, CONTENIDO DE ARENA Y MBT PRACTICA PRACTICA #4

Objetivos: 

Reconocer las implicaciones implicaciones de un alto y un bajo contenido contenido de sólidos en las propiedades reológicas de un lodo en cuestión.

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Identificar los diferentes tipos y tamaños de sólidos contenidos en un fluido de perforación.

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Identificar los diferentes métodos para el control de sólidos.

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Determinar el contenido de arena en un fluido de perforación, por la prueba de contenido de arena.

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Reconocer la importancia de la prueba del azul de metileno en el control adecuado del fluido de perforación. Determinar el contenido de arcilla arcilla de un fluido de perforación, mediante la prueba MBT.

Marco teórico

El buen estado del fluido de perforación se refleja en su desempeño y es por eso que el control de sólido es una parte importante en las operaciones de perforación. Una de las principales funciones del fluido de perforación es transportar los recortes o sólidos de perforación generados por la acción de la broca de perforación. Estos sólidos aportados por la formación suelen contaminar el fluido y generar cambios en sus propiedades reológicas, es por eso que este tipo de sólidos es necesario retirarlos rápida y eficientemente. Los sólidos presentes en un fluido de perforación se clasifican principalmente como se observa en la tabla 1.

Tabla 1. Sólidos 1. Sólidos presentes en un fluido de perforación Sólidos solubles

NaCl KCl CaCl2

Sólidos de alta gravedad especifica (densificantes)

Barita Hematita Galena Carbonato de calcio

Sólidos de baja gravedad específica (viscosificantes)

Bentonita Polímeros Dispersantes

Sólidos aportados por la formación

Grava Arena Limo Arcillas Coloides

Los sólidos agregados mediante los aditivos de fluido de perforación se consideran que tienen efecto favorable sobre este, mientras los sólidos aportados por la formación se consideran que son sólidos CONTROL DE SOLIDOS, CONTENIDO DE ARENA Y MBT

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indeseables, y por tanto deben ser retirados una vez lleguen a superficie. Los métodos utilizados para el control de sólidos, se basan en el tamaño de la partícula. En la tabla 2 se presenta la clasificación de las partículas según el tamaño.

Tabla 2. Clasificación del tamaño de partícula Tamaño de la partícula (micras)

Tipo de sólido perforado

Grueso Intermedio Medio Fino Superfino Coloidal

Mayor que 2000 Entre 250 y 2000 Entre 74 y 250 Entre 44 y 74 Entre 2 y 44 Menor a 2

Un aumento de sólidos incorporados al fluido de perforación trae problemas como los siguientes: 

Cambios en los parámetros reológicos.

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Exceso de torque y arrastre.

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Bajas tasas de penetración.

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Pega de tubería.

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Mayor abrasión.

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Daño a la formación.

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Incremento en costos.

Métodos para el control de sólidos en un fluido de perforación:

Básicamente son cinco (5) métodos: 1. Método de asentamiento: es la separación de las partículas sólidas de la fase líquida mediante la acción de la fuerza de gravedad, esta depende del tamaño y forma de la partícula, densidad del fluido, densidad de la partícula y del tiempo de retención. 2. Método de desplazamiento o descarte: consiste en descartar cantidades de lodo muy saturadas de sólidos por fluido nuevo con optimas condiciones reológicas. 3. Método de dilución: es un método muy utilizado durante toda la fase de perforación, consiste en disminuir la cantidad de sólidos perforados mediante la adición de agua fresca, a pequeña escala no CONTROL DE SOLIDOS, CONTENIDO DE ARENA Y MBT

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incrementa considerablemente los costos. Se logra un mejor resultado cuando este método es complementado con alguno de los métodos mecánicos. 4. Método químico-mecánico: es en esencia el método de asentamiento con adición de un floculante, que ayuda a la precipitación más rápida de los flóculos que luego son removidos mecánicamente. 5. Método mecánico: separación selectiva de los sólidos de acuerdo a su diferencia de tamaño y masa. Hay varios de equipos los cuales son diseñados para operar eficientemente bajo rangos específicos de tamaño de partícula, Figura 1.

Figura 1. Aplicación del equipo de control de sólidos en función del tamaño de partículas.

Equipos para el control de sólidos

La calidad del equipo de control de sólidos que se tiene en un equipo de perforación puede extender la vida útil de un sistema de lodos aunque, eventualmente, el reciclado de los sólidos causará la degradación de las partículas a tal punto que su tamaño se vuelve coloidal e intratable por medios mecánicos. Un típico paquete de control de sólidos incluiría los siguientes equipos. Zaranda (shaker): La zaranda es un equipo removedor de sólidos de gran tamaño compuestos por varios

tamices (Figura 2), el cual se basa en el tamaño físico de las partículas. La zaranda opera en función de la dinámica de vibración, tamaño de la cubierta y su configuración, características de las mallas, densidad y viscosidad del lodo y ritmo de carga de sólidos (GPM, ROP y diámetro del hueco). El lodo debe entrar en contacto con la mayor superficie del tamiz que sea posible. La inclinación óptima del tamiz es aquella que CONTROL DE SOLIDOS, CONTENIDO DE ARENA Y MBT

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procese la mayor cantidad de partículas, y dicho ángulo de inclinación debe ser definido antes de seleccionar el tamaño de la malla.

Figura 2. Zaranda y sus componentes principales.

Hidrociclones: Son básicamente tres: desarenador (Figura 3), desarcillador (Figura 4) y limpia lodos (Figura

5). Son recipientes de forma cónica cuyo funcionamiento se basa en la transformación de la energía de presión en fuerza centrifuga. El lodo se alimenta a través de una bomba centrifuga, a través de una entrada que la envía tangencialmente a la cámara de alimentación y este a su vez hacia a la parte inferior, acelerando el proceso de sedimentación de la fase màs pesada. Luego las partículas màs pesadas son enviadas hacia arriba como un vórtice espiralado que lo envía a un orificio de descarga superior.

Figura 4. Desarenador.

Figura 5. Desarcillador.

Los desarcilladores se usan para eliminar partículas en un rango de 12-40 micrones, el tamaño de estos conos están en el orden de 2-6 pulgadas, generalmente se usa un cono de 4 pulgadas. El número de conos depende del volumen del lodo que se vaya a ser circular. Dado que el tamaño de la barita esta dentro del rango de limo, también es separado del lodo. De esta forma se puede recuperar material para la preparación de nuevo lodo. CONTROL DE SOLIDOS, CONTENIDO DE ARENA Y MBT

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El propósito de los desarenadores es separar las partículas de tamaño arena, para esto se utiliza un cono de 6 pulgadas o más de diámetro interno. Los conos desarenadores tienen la ventaja que pueden trabajar con más cantidad de lodo por cono, pero tienen la limitación de solo poder separar partículas de gran tamaño, este equipo es necesario para no sobrecargar a los desarcilladores.

El limpia lodos (Mud cleaner) consiste en un conjunto de hidrociclones colocados sobre un tamiz de malla fina (entre 100 y 200 mesh) y de alta vibración. El proceso remueve los sólidos perforados de tamaño arena aplicando primero el hidrociclón al lodo y luego dejando caer la descarga sobre el tamiz para retirar sòlidos sobrantes . La recuperación de barita y de fase lìquida (de alto costo en ciertas àreas) son los usos más comunes de los limpiadores de lodos, esta es una de sus ventajas. El menor volumen y la mayor sequedad del material descartado reducen también el costo del proceso de desecho en muchas áreas.

Figura 5. Limpialodos (Mud cleaner).

Centrifuga de decantación o centrifuga de alta velocidad: El objetivo de este equipo es lograr la

separación de los sólidos que no fueron removidos por la zaranda, ni por los hidrociclones, y recuperar la barita mientras descarta los sólidos perforados o en fluidos no densificados descarta los sólidos perforados. Este el componente final para un control de sólidos. Su funcionamiento se describe de acuerdo a las partes del equipo mostradas en la Figura 6.

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Figura 6. Centrifuga de alta velocidad.

Los sólidos son separados por grandes fuerzas centrifugas, las cuales son generadas por la rotación del bowl. El conveyor gira a una velocidad menor creando una velocidad diferencial que permite la acumulación de los sólidos hacia las paredes del bowl y su descarga por los extremos del mismo, por último el fluido libre de sólidos es descargado desde el depósito en el otro extremo del bowl.

Prueba de contenido de arena

La medida de sólidos en el campo está orientada a la determinación del contenido total de sólidos, tales como contenido de arena, y del contenido de arcillas bentoníticas en el fluido de perforación. Estos datos se pueden usar en conjunto con la densidad del lodo y el análisis de filtrado para el cálculo de las cantidades respectivas de bentonita, barita, y de sólidos de baja gravedad específica presentes en el lodo. El contenido de arena es definido por la API como el porcentaje por volumen de partículas que son retenidas en una malla de 74 micras. Esta medida se hace comúnmente a una muestra tomada de la línea de retorno, y solamente indica la cantidad de partículas más grandes a 74 micrones que han sido llevadas a superficie. Con el objeto de chequear la efectividad de la remoción de estos sólidos del lodo, el contenido de arena también debe medirse a una muestra tomada del tanque de succión. Sin importar el contenido de arena de la muestra tomada en la línea de retorno, el contenido de arena de la muestra tomada en el tanque de succión debe ser mínimo. La medida del contenido de arena es un indicativo de cómo efectivamente las partículas que son retenidas en la malla de 74 micras están siendo removidas del fluido de perforación. Puede ser usado como una base para el tratamiento del lodo, pero principalmente se usa como una base para evaluar el funcionamiento apropiado del equipo de control de sólidos, de las facilidades de asentamiento y de los procedimientos de operación. La prueba del contenido de arena no es una prueba cuantitativa en la determinación de algún sólido excepto para las partículas tamaño arena. Si el lodo contiene material de control de pérdidas de circulación, éste material debe ser retenido en la malla, y no deben ser reportados como contenido de arena. El volumen de sólidos es leído directamente de las calibraciones marcadas en el tubo como porcentaje de sólidos. Debido a que la malla sólo retendrá partículas del tamaño de arena, el volumen de sólidos se supone CONTROL DE SOLIDOS, CONTENIDO DE ARENA Y MBT

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compuesto sólo de arena. Normalmente esta cifra es menor al 0.5% pero puede llegar a estar por encima del 3% especialmente si el equipo de control de sólidos está sobrecargado como cuando se perfora a alta ROP en un agujero de 17½” a través de una formación de arena. Prueba de la retorta

La retorta se usa para determinar el porcentaje por volumen de aceite, agua, y el total de sólidos suspendidos y en solución en el fluido de perforación. Las retortas más usadas son las retortas de 10, 20, y 50 cm 3. La prueba se realiza colocando la cámara con la tapa, el cilindro de extensión (con lana de acero), y la sección condensadora dentro del sistema de calentamiento. Como la muestra es destilada, los vapores formados por agua y/o aceite salen a través del conducto superior, a través de la lana de vidrio donde cualquier sólido que pudiera ser arrastrado con el vapor es retenido, llegando finalmente el vapor al condensador. Los fluidos condensados son recuperados en una probeta graduada de 10, 20 o 50 cm3. La diferencia entre el volumen de líquido recuperado y el volumen de muestra original es el porcentaje total de sólidos suspendidos y en solución. Se debe tener cuidado de que no quede aire con la muestra de lodo cuando ésta es vertida dentro de la cámara. También, la lana de acero se debe cambiar después de cada prueba. Como conclusión de la prueba el contenido de aceite, agua y los sólidos totales se deben leer directamente de la probeta graduada. La altura del fluido debe ser leída siempre en el punto más bajo o en el punto más alto de la curvatura del menisco. El contacto agua-aceite siempre tendrá un menisco cóncavo y con curvatura hacia abajo. El volumen correcto de agua se lee de la línea horizontal tangente al punto plano más alto del menisco. De otro lado, el contacto aceite-aire o agua-aire tendrá un menisco que siempre tiene concavidad hacia arriba y la altura del nivel de fluido debe ser leída de la tangente horizontal en el punto plano más bajo del menisco. Otra fuente de error que a menudo es pasada por alto es causada por no iniciar la prueba a una temperatura suficientemente alta o durante un período suficiente de tiempo. Esto conduce a una retención de humedad de los sólidos en la cámara y en la lana de acero. Los análisis exactos de la retorta son esenciales para evaluar con precisión las cantidades respectivas de los diferentes tipos de sólidos presentes en el lodo. La Figura 7 muestra los porcentajes de sólidos que debe tener un lodo base agua para diferentes densidades del fluido de perforación.


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Figura 7. Relación entre contenido de sólidos y peso del lodo. Cálculos %Vw = volumen de agua x 100 /volumen de la muestra

(1)

%Vo = volumen de aceite x 100/volumen de la muestra

(2)

%Vs = 100 – (%Vw + %Vo)

(3)

Donde Vw, Vo y Vs son volúmenes de agua, aceite y sólidos respectivamente. El volumen de la muestra depende del tamaño de la retorta. % V LGS

  1   100  f    B   F  V SS  12  fP    f   O  V O        B LGS 

(4)

Donde: % VLGS = Porcentaje en volumen de sólidos de baja gravedad, fP = Densidad del lodo, (Lbm/gal), f = Densidad del filtrado, (g/cm3), B = Densidad del material densificante (g/cm3), LGS = Densidad de sólidos de baja gravedad, (g/cm3) (usar 2.6 si se desconoce el dato), o = Densidad del aceite, (g/cm 3), (usar 0.84 si se desconoce el dato), Vo= Porcentaje en volumen de aceite, Vss= porcentaje en volumen de solidos suspendidos. La densidad del filtrado es función de la concentración en cloruros y es calculada con la siguiente ecuación: f

= 1.0 + (6.45 x 10 -7[NaCl]) + (1.67 x 10 -3 [KCl]) + (7.6 x 10 -7 [CaCl2]) + (7.5 x 10 -7 [MgCl2])

(5)

La concentración de cloruros está en mg/L, excepto la concentración de KCl, que está en Lb/bbl. El volumen de sólidos suspendidos se obtiene con la expresión: Vss= 100 - V o - Vw / (f – 10-6 ([NaCl]+[CaCl2]+[ MgCl2]) – 0.00286[KCl]

(6)

Los sólidos calculados con la ecuación 4 incluyen la bentonita, por lo tanto: Vds = VLGS – VB

(7)

donde: Vds = porcentaje en volumen de sólidos incorporados en la perforación, VB = porcentaje en volumen de bentonita. El porcentaje en volumen del material densificante (VBa) VBa = Vss - VLGS

(8) CONTROL DE SOLIDOS, CONTENIDO DE ARENA Y MBT

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Prueba MBT (methylene blue testing)

La bentonita (montmorillonita) es una arcilla hidratable usada para aumentar la viscosidad, reducir las pérdidas por filtrado, y aumentar la capacidad de transporte del fluido de perforación. Los iones de sodio de la bentonita presentes en la estructura de este tipo de arcilla intercambian fácilmente iones y algunos compuestos orgánicos. El tinte orgánico, de azul de metileno, reemplaza fácilmente los cationes intercambiables de bentonita y algunas otras arcillas. La capacidad de azul de metileno de un fluido de perforación es un indicador de la cantidad de arcillas reactivas (bentonita y/o sólidos de la perforación) presentes para ser determinadas por la prueba MBT. Esta prueba es realizada a fluidos base agua y la prueba se basa en la capacidad que tienen las arcillas reactivas presentes en el lodo para absorber tintura de azul de metileno. La prueba es cualitativa, porque la materia orgánica y algunas otras arcillas presentes en el lodo adsorben el azul de metileno, por lo que la muestra de lodo normalmente se trata con peróxido de hidrógeno para oxidar la mayor parte de la materia orgánica, como el CMC, los poliacrilatos, los lignosulfonatos y los lignitos.

La capacidad de intercambio cationico (CEC) se define como la capacidad que tiene material para retener y liberar iones positivos, merced a su contenido en arcillas. Éstas están cargadas negativamente, por lo que suelos con mayores concentraciones de arcillas exhiben capacidades de intercambio cationico mayores. La capacidad de azul de metileno ofrece un estimado de la CEC de los solidos del fluido de perforación.

Capacidad de azul de metileno = Azul de metileno (cm3) / fluido de perforación (cm 3) Bentonita equivalente (lbm/bbl) = 5 x capacidad de azul de metileno

Figura 8. Punto final de la prueba MBT CONTROL DE SOLIDOS, CONTENIDO DE ARENA Y MBT

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Cuando la prueba de azul de metileno (MBT) se realiza sobre una muestra del fluido de perforación, el total de la capacidad de intercambio catiónico de las arcillas presentes en un fluido de perforación se puede cuantificar mediante un proceso de titulación. Los valores MBT se deberán monitorear muy de cerca a medida que se prepara el sistema inicial, sin arcillas reactivas. Un aumento en el valor MBT indica que se están perforando estratos de Lutita. Estos aumentos ayudarán a determinar cuándo se requieren volúmenes de desplazamiento para mantener el sistema dentro de intervalos óptimos. Una estimación de la cantidad real de arcillas en un fluido de perforación se puede obtener si se conoce la relación de intercambio de capacidades y las arcillas sólidas perforadas. EJEMPLO. Un cm3 de lodo de perforación se diluye con 50 cm 3 de agua destilada y se trata con ácido

sulfúrico y peróxido de hidrogeno para oxidar cualquier material orgánico presente. La muestra se valora utilizando solución de azul de metileno 0,01 N. Calcular el contenido aproximado de bentonita si el lodo de perforación requiere 5,0 cm3 de azul de metileno para llegar al punto final. SOLUCION: El contenido de bentonita es aproximadamente cinco veces la capacidad de intercambio

catiónico. Ya que para una solución al 0,01 N de azul de metileno, la capacidad de intercambio catiónico es igual a los centímetros cúbicos de solución utilizada por centímetro cúbico de muestra de lodo, el contenido de bentonita es: 5 (5,0) = 25 Lbm/bbl. PROCEDIMIENTOS A REALIZAR PROCEDIMIENTO PARA LA PRUEBA DE RETORTA        

Limpie y seque el ensamblaje de la retorta y el condensador. Mezcle muy bien la muestra de fluido para asegurar su homogeneidad, evitando que quede aire atrapado y procurando que no queden sólidos en el fondo del recipiente. Llene el cilindro de la retorta con lana de acero. Aplique lubricante/sellante a las roscas en el cuello de la retorta y conecte el condensador. Coloque el ensamblaje de la retorta en la camisa de calentamiento. Cierre la tapa aislante. Coloque un recipiente colector limpio y seco por debajo de la salida del condensador. Ponga en funcionamiento la retorta y espere 45 minutos. Si el fluido se desborda hacia el recipiente colector, será necesario repetir la prueba. Deje que el recipiente colector de líquido se enfríe. Lea y registre (a) el volumen total de líquido (b) el volumen de aceite; y (c) el volumen de agua en el recipiente colector. Apague la retorta. Deje enfriar antes de limpiar.

PROCEDIMIENTO PARA LA DETERMINACION DEL CONTENIDO ARENA      

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Obtener una muestra de lodo recientemente agitada. Llenar el recipiente de vidrio hasta la primera marca. Añadir agua fresca hasta la segunda marca. Cubrir la boca del recipiente con el dedo pulgar y sacudir vigorosamente. Verter la mezcla sobre la malla No. 200 del cedazo. Añadir más agua al recipiente, sacudir y nuevamente verter mezcla sobre la malla. Repetir el proceso hasta tanto el agua este clara. Colocar el embudo boca abajo sobre el extremo superior del cedazo y cuidadosamente invertir la unidad. Colocar el embudo en la boca del recipiente de vidrio y lavar la arena rociando agua sobre la malla. Permitir que la arena se precipite y registrar el porcentaje de arena por volumen, tomando la lectura directamente del recipiente graduado. CONTROL DE SOLIDOS, CONTENIDO DE ARENA Y MBT

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PROCEDIMIENTO PARA LA PRUEBA MBT MATERIALES:        

Solución de azul de metileno: 1 mL = 0,01 miliequivalente que contenga 3,20 g de azul de metileno grado USP (C16H18N3SCl) por litro. Peróxido de hidrógeno: solución al 3%. Acido sulfúrico diluido, aproximadamente 5 N. Matraz Erlenmeyer de 250 cm3. Pipetas serológicas, una de 1 cm 3 y otra de 5 cm3. Resistencia de calentamiento. Varilla agitadora. Papel de filtro.

PRUEBA 

Agregue 2 cm3 de fluido (o un volumen apropiado de fluido para 2 a 10 cm3 de reactivo) a 10 cm3 de agua en el matraz Erlenmeyer. Agregue 15 cm3 de peróxido de hidrógeno al 3% y 0,5 cm 3 de ácido sulfúrico. Hierva suavemente durante 10 minutos. Diluya hasta unos 50 cm 3 con agua destilada. En la figura 9 se muestra el montaje del procedimiento.

Figura 9. 



Agregue al matraz la solución de azul de metileno, utilizando la pipeta. Después de cada adición de 0,5 cm3, agite el contenido del matraz durante unos 30 segundos. Mientras los sólidos están aún suspendidos, saque una gota del líquido y colóquela sobre el papel de filtro. El punto final se alcanza cuando aparece un anillo (Halo) azul alrededor de los sólidos coloreados. Cuando se detecta la coloración azul que se va propagando, agite el matraz durante otros dos minutos y coloque otra gota sobre el papel de filtro. Si aún es evidente el anillo azul, esto significa que se alcanzó el punto final. Si no aparece el anillo, continúe como se indicó hasta que una gota tomada después de agitar dos minutos muestre el anillo azul. (Ver figura 8.) Nota: El colorante libre que se detecta inmediatamente después de agregar el sexto cm 3 se adsorbe después de 2 minutos e indica que el punto final aún no se ha logrado.

ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS CONTROL DE SOLIDOS, CONTENIDO DE ARENA Y MBT

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1. Existen diferentes configuraciones de equipos para el control de solidos, de acuerdo al tipo de fluido 2.

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4. 5.

utilizado, si este es densificado o no. Buscar ambos esquemas y explíquelos. De los siguientes artículos, realizar un informe de lectura breve y conciso resaltando el problema y la solución ARTICULO 1: SPE – 23660 - Drilling Mud Solids Control and Waste Management, ARTICULO 2: SPE – AADE - 06 - Dilution – Mud Engineer’s Core Business, ARTICULO 3: SPE – AADE - 06 - Economic Consequences of Poor Solids Control, ARTICULO 4: SPE – AADE - 19 - Using a System Cost Analysis to Quantify Drilling Fluids and Solids Control. Un análisis de contenido de sólidos (Retorta) de un lodo base agua de densidad 16 lbm/gal, indica un contenido de sólidos de 32,5% y un contenido de aceite de 0%. La titulación de azul de metileno de muestras de lodo, arcilla (bentonita) y sólidos perforados indica una CEClodo de 6 meq/100 mL, una CECarcilla de 15 meq/100 g, y una CECs.perf de 15 meq/100 gr. Determinar:  La fracción de volumen total de sólidos de baja gravedad,  La fracción de volumen de bentonita,  La fracción de volumen de los sólidos perforados. ¿Por qué se debe mantener el valor de MBT constante mientras se perfora?. ¿Cuándo hay un aumento de MBT, que implicaciones trae al sistema de control de sólidos?.

REFERENCIAS UTILZADAS      

ASME shale shaker committee. Drilling fluids processing handbook. Elsevier 2005. Pag 69-70. Bourgoyne, Adam. Applied drilling engineering. Society of petroleum engineers. 1991. Annis, M. R., Smith, M. V., Drilling fluids technology, Exxon Company, U.S.A., 1996. Baker Hughes INTEQ. Drilling fluids-reference manual. 2006. p 19-27. SCHLUMBERGER .drilling school. Tecnología de perforación. P 94-112. Curso de control de solidos. Pride Colombia mayo 2002.


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