Química de Arcillas Bentonita de Wyoming Wyoming La buena! Sólidos Perforados Los malos!
Tres Tres componentes Lodo base Agua • ase Líuida " incluye sólidos disueltos
• Sólidos inertes " #ensificantes$ calc%reos$ etc&&
• Sólidos reacti'os " Bentonita comercial " Sólidos de perforación (idratables
Tres Tres componentes Lodo base Agua • ase Líuida " incluye sólidos disueltos
• Sólidos inertes " #ensificantes$ calc%reos$ etc&&
• Sólidos reacti'os " Bentonita comercial " Sólidos de perforación (idratables
Reciclado de la corteza
Efecto del tiempo sobre las rocas
)nterior de la Tierra
Diagenesis / Paragenesis • Diagénesis - Cambios físicos y químicos que ocurren en los sedimentos durante y después de la deposición hasta el tiempo de la consolidación • Paragénesis - El orden en el cual los minerales y las rocas asociadas han sido formados, incluyendo sus interacciones por el contacto • Las arcillas cambian bao presión y temperatura! • "mectita cambia a ilita y clorita
Química de la Tierra • #cho elementos forman m$s de %&' de la corte(a terrestre! Entre ellos, el o)ígeno y el silicio forman m$s de *+' Es por este motio que la mayoría de los minerales contienen silicio yu o)ígeno!
Ocho Elementos más omunes en orteza Terrestre • • • • • • • •
*+ígeno Silicio Aluminio 4ierro 7agnesio 9alcio Sodio Potasio 81&58
,-&-. /0&0/ 1&23 5&66 /&68 3&-3 /&13 /&58
Arcilla es un t:rmino amplio !ue se usa com;nmente para describir los sedimentos$
suelos o rocas compuestos de partículas minerales y materia org%nica de granos e+tremadamente finos&
a 'eces llamadas arcillas tipo “gumbo” ?arcillas pl%sticas@ encontradas en los =ardines o a lo largo de las riberas& Bstas arcillas son frecuentemente blandas y pl%sticas cuando est%n mo=adas$ pero se 'uel'en duras cuando est%n secas& Bsta propiedad física de Cblanda cuando mo=ada$ dura cuando secaD se puede relacionar con la presencia de ciertos minerales arcillosos& Arcilla tambi:n se usa como t:rmino general para describir las partículas !ue tienen un di%metro inferior a / micrones$ las cuales incluyen la mayoría de los minerales arcillosos&
Los minerales arcillosos son minerales de silicato alumínico de granos finos ue tienen microestructuras bien definidas& n la clasificación mineralógica$ los minerales arcillosos est%n clasificados como silicatos estratificados porue la estructura dominante se compone de camas formadas por capas de sílice y al;mina& 9ada capa consta de una estructura laminar y delgada$ llamada capa unitaria& Por e=emplo$ un mineral de silicato estratificado típico sería la mica o la 'ermiculita$ las cuales pueden separarse en capas finas a lo largo de los planos de cli'a=e& La mayoría de los minerales arcillosos tienen una morfología laminar& Seg;n las unidades repetidas de la estructura$ los minerales arcillosos tambi:n se pueden clasificar de acuerdo a la relación de capas de sílice a capas de al;mina$ tal como 2E2$ /E2 y /E/$ adem%s de si estos minerales arcillosos son estratificados o en forma de agu=a
l t:rmino bentonita se usa para describir la montmorillonita sódica e+plotada comercialmente >la cual constituye una forma de esmectita ue se usa como aditi'o para el lodo de perforación >por e=&E 7F) GBL o 7F) GBL S
#ebido a sus pe!ueKos tamaKos de partículas$ las arcillas y los minerales arcillosos son analiJados con t:cnicas especiales tales como la difracción de rayos N$ la absorción infrarro=a y la microscopia electrónica& La 9apacidad de )ntercambio 9atiónico >9B9$ la adsorción de agua y el %rea superficial son algunas de las propiedades de los minerales arcillosos !ue suelen ser determinadas para lograr una me=or caracteriJación de los minerales arcillosos y minimiJar los problemas de perforación
Bl primer tipo consta de arcillas en forma de agu=a no (inc(ables como la atapulguita o la sepiolita
#ebido a su forma y a sus características no (inc(ables$ estas arcillas demuestran un control de filtración muy d:bil& Por este moti'o$ la atapulguita se usa principalmente como me=orador de 'iscosidad en los lodos base agua salada$ mientras !ue la sepiolita se usa generalmente como 'iscosificador suplementario para los fluidos geot:rmicos y de alta temperatura& Bstas arcillas no est%n casi nunca presentes en las lutitas de las formaciones& 7F) 'ende la atapulguita ba=o el nombre S ALT GBLO
l segundo tipo son las arcillas laminares no (inc(ables >o ligeramente (inc(ablesE ilita, clorita y kaolinita $ las cuales est%n descritas m%s adelante& l tercer tipo son las montmorillonitas laminares muy (inc(ables& l segundo y el tercer tipo de minerales arcillosos se encuentran en las lutitas de las formaciones$ en el orden siguiente y en cantidades decrecientesE >2 ilita$ >/ clorita$ >3 montmorillonita y >, Maolinita& 9omo est%n presentes en las formaciones perforadas$ estas arcillas se dispersan en cantidades 'ariables dentro del sistema de fluido de perforación& La montmorillonita presente en las lutitas es generalmente la montmorillonita c%lcica$ porue est% en euilibrio con el agua de la formación$ la cual es generalmente rica en calcio&
La arcilla ue e+iste naturalmente tiene una estructura apilada o estratificada$ en la cual cada capa unitaria tiene un espesor de apro+imadamente 26 angstroms >& sto significa ue cada milímetro de espesor consta de apro+imadamente un millón de capas de arcilla& 9ada capa de arcillas es altamente fle+ible$ muy fina$ y tiene un %rea superficial enorme& Se puede considerar ue una partícula indi'idual de arcilla es algo parecido a una (o=a de papel o un troJo de celof%n& R056m/!
Propiedades físicas • • • • • • • •
7icroscópicas a submicroscópicas Adsorben o pierden agua seg;n la (umedad Pl%sticas cuando mo=adas por agua Se e+panden cuando el agua llena los espacios entre las l%minas de silicatos Gra'edad específica 'ariable seg;n la cantidad de agua adsorbida #ureJa 2 a 3 La mayoría formada por temporiJación Haramente encontradas por separado$ generalmente como meJcla de arcillas y cristales microscópicos de otros minerales
La igura 2 es una fotomicrografía real de una partícula de bentonita& ótese ue se parece a una bara=a de cartas abierta en abanico& Se puede obser'ar ue 'arias de las partículas laminares se traslapan& sta forma característica de las partículas es lo ue produce el llamado efecto de CcingladoD ue es tan importante para el control de filtrado&
Las arcillas son generalmente del tipo de dos capas como la Maolinita o del tipo de tres capas como la montmorillonita$ la clorita o la ilita& 9ada partícula de arcilla laminar se compone de un apilamiento de capas unitarias paralelas& 9ada capa unitaria consta de una combinación de (o=as de sílice dispuestas tetra:dricamente >en pir%mide y (o=as de al;mina o magnesia dispuestas octa:dricamente >oc(o caras& Las arcillas de tres capas se componen de capas unitarias constituidas por dos (o=as tetra:dricas de cada lado de una (o=a octa:drica$ en cierto modo como un emparedado >'er la igura /& Las arcillas de dos capas se componen de capas unitarias constituidas por una (o=a tetra:drica y una (o=a octa:drica
Las arcillas pueden ser el:ctricamente neutras o estar cargadas negati'amente& Por e=emplo$ la pirofilita ?Al/Si,*26 " >*4/@$ una arcilla neutra$ como aparece en la igura 3$ es similar a la montmorillonita cargada negati'amente
ARCILLAS MONTMORILLONÍTICAS (ARCILLAS DE TRES CAPAS)
Si se sustituye un %tomo de aluminio >Al 3 por un solo %tomo de magnesio >7g / en la estructura reticular >disposición de los %tomos$ :sta tendr% un electrón e+cedente o una carga negati'a >'er la igura ,& La carga negati'a neta es compensada por la adsorción de cationes >iones positi'os en las superficies de la capa unitaria$ tanto en las superficies interiores como en las superficies e+teriores del apilamiento&
Los cationes ue se adsorben en las superficies de las capas unitarias pueden ser cambiados por otros cationes y se llaman los cationes intercambiables de la arcilla& La cantidad de cationes por peso unitario de la arcilla se mide y se registra como capacidad de intercambio catiónico >99& l catión puede ser un ion de simple carga como el sodio >a o un ion de doble carga como el calcio >9a / o el magnesio >7g /& #e este modo$ tenemos montmorillonita sódica$ montmorillonita c%lcica yo montmorillonita magn:sica& Aunue la bentonita de Wyoming est: generalmente definida como montmorillonita sódica$ el calcio y el magnesio intercambiables pueden constituir de 35 a -0. de la capacidad total de intercambio& La propiedad m%s típica de las montmorillonitas es la capacidad de (inc(amiento entre capas >(idratación con el agua >'er las iguras 5 y -&
#epósito de bentonita en #aMota del orte de 36 m de espesor
Grupo montmorillonitaFsmectita • Minerales: pirofilita, talco, er!ic"lita, sa"conita, nontronita, !ont!orillonita • #$r!"la: (Ca, Na, %)(Al, M&, #e, 'n) (Si, Al)O*+(O%) -%O, .on.e - representa "na canti.a. aria/le .e a&"a • Capa .e $-i.o01i.r$-i.o .e al"!inio o !a&nesio entre .os capas .e s2lice • Canti.a. aria/le .e a&"a entre los san.3ic1es
Adem%s de la sustitución del aluminio >Al3 por el magnesio >7g / en la red de montmorillonita$ muc(as otras sustituciones pueden ser realiJadas& Por lo tanto$ el nombre montmorillonita se usa frecuentemente como nombre de grupo ue incluye muc(as estructuras minerales específicas& Sin embargo$ en los ;ltimos aKos$ se (a aceptado cada 'eJ m%s el nombre esmectita como nombre de grupo$ reser'ando el t:rmino montmorillonita para los miembros predominantemente aluminosos del grupo& ste grupo de minerales incluye la montmorillonita$ la (ectorita$ la saponita$ la nontronita y otros minerales específicos&
ILITAS (ARCILLAS DE TRES CAPAS)
Las ilitas tienen la misma estructura b%sica !ue las montmorillonitas$ pero no muestran la capacidad de (inc(amiento entre capas& Bn 'eJ de la sustitución de Al 3 por 7g/ como en la montmorillonita$ la ilita tiene una sustitución de Si , por Al3$ lo cual a;n produce una carga negati'a& Los cationes compensadores son principalmente el ion potasio >U $ como lo indica la igura -& La carga negati'a neta de la red !ue resulta de estas sustituciones$ mediante los iones potasio compensadores$ es generalmente mayor !ue la carga de la montmorillonita$ pudiendo ser (asta una 'eJ y media m%s grande !ue :sta& Bl espacio entre las capas unitarias es de /$1 Q& Bl di%metro iónico de U es de /$-- Q& Bsto permite !ue el U enca=e perfectamente entre las capas unitarias$ formando un enlace !ue impide el (inc(amiento en la presencia de agua& 9omo las capas unitarias no se (inc(an ni se separan al ser e+puestas al agua$ los iones potasio >U presentes entre las capas unitarias no est%n disponibles para el intercambio& Sólo los iones potasio !ue se encuentran en las superficies e+teriores pueden ser cambiados por otros cationes
ntre los minerales arcillosos /E2$ la esmectita$ ilita$ y capas mi+tas de ilita y esmectita son encontradas durante la perforación de formaciones de lutita$ causando frecuentemente distintos problemas relacionados con la estabilidad del poJo y el mantenimiento del fluido de perforación& La naturaleJa problem%tica de estos minerales arcillosos puede estar relacionada con los cationes d:bilmente enlaJados entre las capas y las cargas d:biles de las capas ue producen el (inc(amiento y la dispersión al entrar en contacto con el agua& A medida ue la profundidad de entierro aumenta$ la esmectita se con'ierte gradualmente en arcillas de capas mi+tas de ilitaesmectita$ y finalmente en ilita y mica& 9omo resultado$ las formaciones de lutita se 'uel'en generalmente menos (inc(ables pero m%s dispersi'as en agua$ a medida ue la profundidad aumenta
4r"po !ica o ilita • M"scoita 1i.rata.a !icrosc$pica!ente • Co!ponente principal .e las l"titas • #$r!"la &eneral: (5, %)AL (Si,Al)O*+(O%) -%O, .on.e - representa "na canti.a. aria/le .e a&"a • Capa .e al"!inio entre .os capas .e s2lice • Cationes potasio en los planos /asales • A&"a (-) entre las capas (san.3ic1es)
CLORITAS (ARCILLAS DE TRES CAPAS) Las cloritas est%n estructuralmente relacionadas con las arcillas de tres capas& Las cloritas no se (inc(an en su forma pura$ pero puede (acerse ue (inc(en ligeramente al ser modificadas& n estas arcillas$ los cationes compensadores de carga entre las capas unitarias de tipo montmorillonita son reemplaJados por una capa de (idró+ido de magnesio octa:drico$ o brucita >'er la igura -& sta capa tiene una carga positi'a neta debido a la sustitución de ciertos 7g/ por Al3 en la capa de brucita& Las cloritas se encuentran frecuentemente en antiguos sedimentos marinos enterrados a grandes profundidades$ y normalmente no causan ning;n problema importante a menos ue est:n presentes en grandes cantidades& La capacidad de intercambio catiónico de la clorita 'aría de 26 a /6 me266 g$ principalmente debido a los enlaces rotos& La distancia entre capas del clorita suele ser de apro+imadamente 2, & La clorita tambi:n puede formar arcillas de capas mi+tas con otros minerales arcillosos tales como la esmectita& La arcilla resultante de capas mi+tas tendría las propiedades de ambos tipos de minerales arcillosos
Grupo clorita • Minerales: A!esite, 6aile7c1lore,C1a!osite, Coo8eite, Cor"n.op1ilite, Dap1nite, Delessite, 4on7erite, Ni!ite, O.inite, Ort1oc1a!osite, Penninite, Pannantite, R1ipi.olite (proc1lore), S".oite, T1"rin&ite • T1e ter! c1lorite is "se. to .enote an7 !ineral of t1is &ro"p 31en it is i!possi/le to .istin&"is1 t1e specific !ineral
5 AOLINITAS (ARCILLAS DE DOS CAPAS) La Maolinita es una arcilla no (inc(able cuyas capas unitarias est%n fuertemente ligadas mediante enlaces de (idrógeno& sto impide la e+pansión de la partícula$ porue el agua no es capaJ de penetrar en las capas& La Maolinita no contiene cationes entre capas ni tiene cargas superficiales porue no se produce casi ninguna sustitución en las (o=as tetra:dricas u octa:dricas& Sin embargo$ algunas peueKas cargas pueden resultar de los enlaces rotos o las impureJas& Por lo tanto$ la Maolinita tiene una capacidad de intercambio catiónico relati'amente ba=a >de 5 a 25 me266 g& La Maolinita se encuentra com;nmente como componente menor a moderado >5 a /6. de las rocas sedimentarias tales como las lutitas y las areniscas& La Tabla 2 contiene un resumen de los minerales arcillosos y la igura - presenta una comparación esuem%tica de las diferentes estructuras de las arcillas&
9ristales de silicato en l%minas • Diámetro: ~1 micrón (1 millonésima de metro) • Espesor: ~10 Å (10 billionésima de metro) • Diámetro : Espesor : 1,000 : 1 • Area supercial : !eso: ~"00 m# $ %ram or &'0 acres$lb • os cristales se depositan en cara a cara en los a%re%ados • eparación entre cristales * a 1* Å • En el plano basal predominan car%as ne%ati+as • En los bordes predominan car%as positi+as
Capaci.a. .e Interca!/io cati$nico (CEC) Los cationes compensadores ue se adsorben en la superficie de la capa unitaria pueden ser cambiados por otros cationes y se llaman los cationes intercambiables de la arcilla& La cantidad de cationes por peso unitario de la arcilla es medida y registrada como la 99 >capacidad de intercambio catiónico& La 99 est% e+presada en milieui'alentes por 266 g de arcilla seca >me266 g& La 99 de la montmorillonita est% comprendida dentro del rango de 16 a 256 me266 g de arcilla seca& La 99 de las ilitas y cloritas es de apro+imadamente 26 a ,6 me266 g$ y la 99 de las Maolinitas es de apro+imadamente 3 a 26 me266 g de arcilla&
ara acerse una ea e os ca ones ue reemp aJar n a o ros ca ones en as posiciones de intercambio$ se acepta generalmente la siguiente secuencia$ disponi:ndola en orden de preferencia decrecienteE 4 V Al3 V 9a/ V 7g/ V U V 4, V a V Li
2& La fase acuosa es la fase continua del lodo& Seg;n la ubicación yo el agua disponible$ :sta puede ser agua dulce$ agua de mar$ agua dura$ agua blanda$ etc& o es raro ue se use una 'ariedad de soluciones de salmueras$ saladas a saturadas como líuido de base para preparar un sistema a base de agua& /& La fase de sólidos reacti'os se compone de arcillas comerciales$ arcillas (idratables incorporadas y lutitas de las formaciones perforadas ue son mantenidas en suspensión de la fase fluida& stos sólidos son tratados uímicamente para controlar las propiedades del fluido de perforación& arios aditi'os ser%n usados para obtener las propiedades deseadas& 3& Los sólidos inertes son los sólidos en suspensión ue son uímicamente inacti'os& Xstos pueden ser sólidos de perforación inertes tales como la caliJa$ dolomita o arena& La barita es aKadida al fluido de perforación para aumentar la densidad del fluido y tambi:n constituye un sólido inerte&
%IDRATACI9N DE LAS ARCILLAS l cristal de bentonita se compone de tres capasE una capa de al;mina con una capa de sílice encima y otra deba=o& La laminilla de arcilla est% cargada negati'amente y una nube de cationes est% relacionada con :sta& Si un gran n;mero de estos cationes son sodio$ la arcilla ser% frecuentemente llamada montmorillonita sódica& Si los cationes son principalmente calcio$ la arcilla ser% llamada montmorillonita c%lcica& Seg;n el n;mero de cationes presentes$ el espacio entre capas de la montmorillonita seca estar% comprendido entre 8$1 >sodio y 2/$2 >calcio y lleno de agua fuertemente ligada& 9uando la arcilla seca entra en contacto con agua dulce$ el espacio entre capas se e+pande y la arcilla adsorbe una gran Cen'olturaD de agua& stos dos fenómenos permiten ue las arcillas generen 'iscosidad
9omo lo indica la igura 0$ las bentonitas a base de calcio sólo se e+panden (asta 20 Q$ mientras !ue la bentonita sódica se e+pande (asta ,6 Q&
l espesor de la película de agua adsorbida es controlado por el tipo y la cantidad de cationes asociados con la arcilla& l agua ue se adsorbe en las grandes superficies planares contiene la mayor parte del agua total retenida por las arcillas (idratables& Los cationes di'alentes como 9a/ y 7g/ aumentan la fuerJa de atracción entre las laminillas$ reduciendo así la cantidad de agua ue se puede adsorber& Los cationes mono'alentes como a producen una fuerJa de atracción m%s d:bil$ permitiendo ue m%s agua penetre entre las laminillas
Bstas propiedades coligati'as son b%sicamente medidas de la reacti'idad de la arcilla& 9omo la 9B9 es f%cil de medir$ se trata de un m:todo pr%ctico para e'aluar la reacti'idad de la arcilla o lutita& La 9B9 de la arcilla se puede medir mediante una 'aloración de aJul de metileno& Para medir la 9B9$ se usa una solución de aJul de metileno 6$62 $ de manera !ue el n;mero de milímetros de solución de aJul de metileno re!ueridos para llegar al punto final sea igual a me!266 g&
el poder relati'o de sustitución de un catión por otro est% indicado por la siguiente secuenciaE 4 V Al3 V 9a/ V 7g/ V U V 4, V a V Li
& Los espacios dentro de las capas de montmorillonita cristalina son de /$1 & Los peueKos iones$ como el potasio$ ue enca=an entre las capas de arcilla$ son intercambiados con mayor facilidad y de manera permanente& Adem%s$ los cationes ue aumentan de tamaKo al (idratarse e+tienden las distancias entre capas para estimular la (idratación de la arcilla& l calcio es un buen e=emplo$ teniendo un di%metro (idratado de 28$/ & l litio es otro e=emplo$ teniendo tres mol:culas de agua y un di%metro (idratado de 2,$- & Los cationes mono'alentes ue tienen grandes di%metros (idratados causan el mayor (inc(amiento y la mayor dispersión& Los cationes multi'alentes ue tienen peueKos di%metros (idratados son los m%s in(ibidore
*rden de reemplaJo de intercambio de iones • • • • • • •
Litio Sodio Potassio 7agnesio 9alcio Alumino 4ydrogen
7%s f%cil
7%s difícil
POTASIO 2& )ntercambio de iones /& i=ación de iones
cuanto m%s grande sea la relación de iones U a iones a$ m%s r%pida ser% la 'elocidad de intercambio de U por a
n la 9osta del Golfo$ el contenido de esmectita de las lutitas y de los CgumbosD se deri'a de la meteoriJación de las rocas ígneas y metamórficas o de la esmectita sedimentaria reciclada ue se deri'ó a la larga de las rocas ígneas y metamórficas& Adem%s$ las arcillas esm:ctitas en el Golfo de 7:+ico fueron sometidas a cierto grado de alteración mediante el proceso llamado diagénesis por entierro & sta alteración diagen:tica puede di'idirse en una reacción de dos etapas& La primera etapa es la creación de esmectita con capa de alta carga mediante la sustitución de silicio por aluminio en la capa tetra:drica de la esmectita& Luego$ la esmectita con capa de alta carga se con'ierte en ilita >en realidad$ capas mi+tas de ilitaesmectita mediante la fi=ación de potasio& sta fi=ación de potasio ocurre naturalmente$ incluso cuando la solución de poros tiene una alta relación de sodio a potasio
n algunas lutitas de tipo CgumboD$ las capas de esmectita con capa de alta carga coe+isten con las capas de esmectita con capa de ba=a carga& Las capas de esmectita con capa de ba=a carga no fi=ar%n el potasio$ y en los casos donde la concentración de potasio es considerablemente menor ue la concentración de sodio$ dic(as capas se comportar%n de conformidad con la teoría cl%sica de intercambio de iones& Por lo tanto$ aumentando la relación de potasio a sodio en el lodo se ayudar% a saturar las capas de esmectita con capa de ba=a carga$ con potasio y aumentar% la estabiliJación de la lutita
Las partículas laminares finas y planas de arcilla tienen dos superficies diferentes& La cara grande o superficie planar est% cargada negati'amente y la superficie fina del borde est% cargada positi'amente donde se interrumpe la red y se e+pone la superficie del enlace roto& stas cargas el:ctricas y los cationes intercambiables crean alrededor de las partículas de arcilla un campo de fuerJas el:ctricas ue determina la manera en ue dic(as partículas interact;an las unas con las otras& Si los iones intercambiables se disocian de la superficie de la arcilla$ la fuerJa repulsi'a entre las l%minas cargadas negati'amente es grande y las l%minas se dispersar%n$ ale=%ndose las unas de las otras
La a&re&aci$n >enlace de cara a cara resulta en la formación de l%minas o pauetes m%s gruesos& sto reduce el n;mero de partículas y causa una reducción de la 'iscosidad pl%stica& La agregación puede ser causada por la introducción de cationes di'alentes$ tales como 9a/$ en el fluido de perforación& sto podría resultar de la adición de cal o yeso$ o de la perforación de an(idrita o cemento& #espu:s del aumento inicial$ la 'iscosidad disminuir% con el tiempo y la temperatura$ (asta llegar a un 'alor inferior al 'alor inicial
L%mina de arcilla #i%metro E Z / micrones / 2$666$666 m& Bspesor E Y 26 Angstrom 26 m& 26$666$666$666
La .ispersi$n$ reacción contraria a la agregación$ resulta en un mayor n;mero de partículas y 'iscosidades pl%sticas m%s altas& Las laminillas de arcilla son normalmente agregadas antes de ser (idratadas y cierta dispersión ocurre a medida ue se (idratan& l grado de dispersión depende del contenido de electrolitos en el agua$ del tiempo$ de la temperatura$ de los cationes intercambiables en la arcilla y de la concentración de arcilla& La dispersión es m%s importante cuando la salinidad es m%s ba=a$ los tiempos m%s altos$ las temperaturas m%s altas y la dureJa m%s ba=a& )ncluso la bentonita de Wyoming no se dispersa totalmente en agua a la temperatura ambiente
Agregación • 9on=unto cara a cara o CgrupoD de l%minas de arcillas • stado natural de deposición de l%minas tipo arcillas • ;mero de l%mina por agregado 'aría
Arcilla dispersa • L%mina de arcillas est%n distribuidos al aJar por cargas superficiales • Los dispersantes aniónicos neutraliJan las cargas positi'as en los bordes de las l%minas
Arcilla loculada • Aglomerado borde a cara • stado natural de las l%minas de arcilla en agua • Aumentado por contaminantesE sal$ an(idrita$ etc
La floc"laci$n se refiere a la asociación de borde a borde yo borde a cara de las partículas$ resultando en la formación de una estructura similar a un Ccastillo de naipesD& sto causa un aumento de la 'iscosidad$ gelificación y filtrado& La se'eridad de este aumento depende de las fuerJas ue act;an sobre las partículas enlaJadas y del n;mero de partículas disponibles para ser enlaJadas& 9ualuier cosa ue aumenta las fuerJas repulsi'as entre las partículas o causa la contracción de la película de agua adsorbida$ tal como la adición de cationes di'alentes o las temperaturas ele'adas$ puede fomentar la floculación
La .esfloc"laci$n es la disociación de las partículas floculadas& La adición de ciertos
productos !uímicos al lodo neutraliJa las cargas electro!uímicas en las arcillas& Bsto elimina la atracción !ue resulta del enlace borde a borde yo borde a cara entre las partículas de arcilla& 9omo la desfloculación causa una reducción de la 'iscosidad$ los productos !uímicos desfloculantes son frecuentemente llamados diluyentes de lodo& La desfloculación tambi:n permite la disposición plana de las partículas de arcilla en el re'o!ue para reducir el filtrado
4δ+
*δ− 4δ+
*δ−
*δ− 4δ+ *δ−
4δ+
4δ+
F FF F F 4
+ δ
+ δ
*
− δ
4
4δ+
4δ+
4δ+
*δ− 4δ+
F
4δ+
F
L%mina de arcilla
*δ− 4δ+
F
4δ+
4δ+
FF FF 4
+ δ
+ δ
*
− δ
4
4idratación de la arcilla
fectos de la asociación de arcillas • AgregaciónE #isminuye la iscosidad • loculaciónE Aumenta la iscosidad • #ispersiónE Aumenta la iscosidad
#ecantación de las lec(adas de arcilla o dispersiones • o se asentar%n debido aE " 7o'imiento Bro[niano " TamaKo de partícula " 9argas negati'as
• Se asentar%n cuando est%n floculadas cuando los flóculso se 'uel'en m%s grandes
/6 lbbbl de bentonita >7F) GL para producir un lodo con una 'iscosidad de 25 cP& Por lo tanto$ en base al gr%fico$ este lodo contendría 5$5. sólidos en peso$ tendría un rendimiento de 266 bbltonelada$ tendría /$5. sólidos en 'olumen$ y pesaría unas 1$lbgal
7F) GL y 7F) GL SpeptiJada para aumentar su rendimiento$ mientras ue 7F) GL S
7F) GL >AP) Bentonite >bentonita e+tendida o beneficiada • La bentonita AP) es beneficiada o e+tendida para satisfacer las especificaciones AP) " +tendedoresE • Polímeros • 9arbonato de sodio
• LimitacionesE " +tendedores se pueden degradar aalta temperatura >V366 or 256 9 " Performance >Hendimiento es difícil de predecir en sistemas polim:ricos no dispersados y #H)LPLN
GL SBentonita atural o no tratada • Satisface las especificaciones AP) sin otro tratamiento ue no sea molienda •
specificaciones arcillas AP) Especificaciones:
Concentracion
Lectura 600 rpm !
Bentonita sin tratar 25.0 lbs/bbl
Bentonita tratada 22.5 lbs/bbl
20.0 lbs/bbl
30 min
30 min.
"0 cp min.
# / !
".5 ma$.
3.0 ma$
%iltrado& cc.
"2.5 ma$
"5.0 ma$
Atapulgita
9uando el agua de preparación es salada$ se puede usar SALT GBL >atapulguita para lograr la 'iscosidad& La atapulguita es un mineral ;nico& Su estructura cristalina es en forma de agu=a$ como lo indica la igura 2/& Su capacidad para aumentar la 'iscosidad es independiente del agua de preparación& A la misma concentración$ SALT GBL en cualuier tipo de agua produciría la misma 'iscosidad ue 7F) GBL en agua dulce& La capacidad de aumentar la 'iscosidad no depende de la (idratación$ sino de la medida en ue los pauetes de agu=as son sometidos al esfuerJo de corte& La 'iscosidad resultante es creada por dos elementosE 2& La formación de estructuras de escobillas amontonadas por los esfuerJos de corte& sto presenta una simple analogía con la agitación de pa=a en agua& /& Las fuerJas de atracción entre partículas$ creadas por cargas de enlaces rotos en los bordes de agu=as rotos por los esfuerJos de corte& >2 mayor costo$ (2) falta de control de filtración debido a la forma de las partículas (3) características reológicas m%s difíciles de controlar
Atap"l&ita 0 MI Salt 4el • 9ristales en forma de agu=a • o ayuda al control de filtración • La iscosidad se debe a la estructura de dispersión de los cristales como un pa=ar • Heuiere alto corte para dispersar • o flocula en agua salada • 'ita in(alar el pol'o& La estructura cristalina es similar al asbesto
Pre1i.rataci$n .e la 6entonita • Hemue'a la #ureJa total >9a /7g/ a menos de 266&6 mgl • Pre(idrate en agua dulce >agua de perforación cuando sea posible >Tanue de pre(idratación " Limpie el tanue para remo'er los dispersantes y productos uímicos antes de agregar el agua " Agregue 36 F 35 ppb bentonita " Agregue 6&/5 to 6&5 ppb Soda c%ustic " Se puede agregar un dispersante para pre(idratar la bentonita antes de agegar al sistema acti'o
A&re&a.o .e /entonita seca al siste!a • l rendimiento de la bentonita decrecer% en cualuier sistema in(ibido " Polímero " 9alcio >9al o yeso " Sal Agua de mar " Glicol
• Pre(idratación en agua dulce me=orar% el rendimiento de la bentonita
aumento inicial de 'iscosidad debido a la floculación causada por la adición del catión di'alente 9a/& Bsto$ a su 'eJ$ causa la agregación de las partículas y una disminución de la 'iscosidad debido a la des(idratación y a la reducción del n;mero de partículas
la 'iscosidad de una suspensión de bentonita alcanJa su punto m%s ba=o dentro del rango de p4 de 0 a 8$5& Bsta es una de las raJones por las cuales la mayoría de los fluidos de perforación a base de agua son utiliJados dentro de este rango& 9uando el p4 es mayor de 8$5$ la dispersión de la arcilla aumenta$ incrementando la 'iscosidad del fluido de perforación
Principios .el Trata!iento :"2!ico 2& liminando el contaminante mediante precipitación& /& Heduciendo los efectos del contaminante mediante la comple=ación del contaminado >secuestro& 3& eutraliJando la floculación mediante la satisfacción de las cargas catiónicas en las partículas de arcilla& ,& ncapsulando o formando una película protectora alrededor de la partícula de arcilla
#OS#ATOS Los dos fosfatos principales usados en el lodo de perforación sonE 2& Pirofosfato \cido de Sodio >SAPP$ p4 de ,$1& /& Tetrafosfato de Sodio >STP o P4*S$ p4 de 1$6&
LI4NITO l lignito de base usado para controlar la 'iscosidad es T AAT4)O >p4 3$/& l lignito es menos soluble a un p4 ba=o] por lo tanto$ para ue sea eficaJ$ el p4 del lodo debe estar comprendido dentro del rango alcalino o el lignito debe ser presolubiliJado en una lec(ada de alto p4 antes de ser aKadido al sistema de lodo& n general se aKade soda c%ustica con los aditi'os de lignito de ba=o p4& n la aplicación de campo$ la relación de soda c%ustica a TAAT4) 'ariar% de 2E- a 2E/& La me=or manera de aKadir las ligninas es a tra':s de la tol'a de lodo& TAAT4) es m%s eficaJ en los sistemas de lodo ue tienen 'alores de p4 comprendidos entre 8 y 26$5& 9A
NPF/6O >p4 26 es un lignito de cromo preFreaccionado ue se usa principalmente en con=unción con SPHSI >lignosulfonato de cromo& ste producto complementa el rendimiento del Sistema de Lignosulfonato de 9romo de 7F) >9LS o sistema SPHSNPF/6& 9omo parte integrante del sistema de lodo SPHSNPF/6$ NPF/6 act;a como estabiliJador y emulsificante del fluido de perforación& Heduce el filtrado y contribuye a las propiedades in(ibidoras del lodo& Se trata del principal estabiliJador t:rmico en el sistema #
LI4NINAS Las ligninas constituyen un grupo de productos similares al lignito y al lignosulfonato ue pro'ienen de la corteJa de %rbol sometida a un tratamiento uímico& Q<BHA94* es una meJcla de ligninalignito diseKada para proporcionar funciones de dispersión y control de filtrado
LI4NOS;L#ONATOS Los lignosulfonatos incluyen SPBHSBB$ un lignosulfonato de cromo] SPBHSBB 9O$ un lignosulfonato sin cromo] y SPBHSBB )$ un lignosulfonato de ferrocromo& stos aditi'os son materiales 'ers%tiles ue tienen numerosas aplicaciones en muc(os sistemas desfloculados a base de agua& stos materiales producen buenos resultados a todos los ni'eles de p4 alcalino$ pueden ser usados con altos ni'eles de sal y son eficaces en la presencia de altos ni'eles de calcio
LutitasE #efiniciones • Lutita es un t:rmino gen:rico utiliJado para describir rocas sedimentarias ricas en arcillas& l t:rmino gen:rico correcto es roca arcillosa! Los dem%s t:rminos utiliJados para describir la lutita incluyen los siguientes t:rminosE " Arcilla " Hoca de arcilla " Hoca de lodo " Argilita " Gumbo
• Las lutitas pueden ser masi'as$ intercaladas$ fisionables$ lodosas$ (inc(adas$ dispersables$ etc&&&&&& • Se estima ue m%s de 05. de las perforaciones son realiJadas en lutitas
Problemas de Perforación en Lutitas "a inestabilidad de las lutitas puede ser el resultado de #
"a inestabilidad de las lutitas puede ser el resultado de #
• Problemas Cmec%nicosD " sfuerJos del suelo " Presión de poro " Anisotropía >e&g& estratificación " racturas >naturales o inducidas por la perforación " )n'asión de filtrado >penetración de los poros
• Problemas CuímicosD " )nteracciones uímicas entre los minerales de la lutita y el filtrado del lodo
9onsecuencias de la )nestabilidad de las Lutitas • 9ierre del poJo " nsanc(amiento " Tubería Tubería atascada >en formaciones mó'iles " He'estimiento atascado " #ificultades de registro
• Ampliación del pozo -uber.a uber.a atascada debido debido a derrumbes del po/o impie/a deectuosa del po/o !érdida de control direccional -rabaos rabaos de cemento de baa calidad Dicultades con los re%istros Datos de re%istro de baa calidad
tima que los problemas relacionados con las lutitas le cuestan industria más de 600 millones de dólares al año
9lasificación de Lutitas • Las lutitas pueden ser clasificados seg;n E " dad " 7ineralogía " #ureJa " 9ontenido de (umedad " Tiempo Tiempo de reacción con los fluidos de perforación modalidad modalidad de la falla del del poJo " Profundidad (istorial diagen:tico
9lasificación de Lutitas >Seg;n 7onds(ine Clase
Textura
CEC Contenidoinerales Peso de Densidad meq/100g de Agua de Arcilla la Arcilla gm/cc Arcilla gm/ wt% %
A
lando
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Prue-a de la Dispersión de recort
arril con malla rotatori
recortes de lutita 2odo de per3oraci
Condiciones t4picas de la prue-a 5 !0 " (0 gm de recortes de lu Tiempo de prue-a de ! " # 8oras
Comparación de Prue-as de Dispersión d Lodo de aceite
Cl/1A
Cl
.p / agua marina
prueba de dispersión de reco !rueba de dispersión de 2sla
Agua marina 0
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'ecuperaci(n de recortes )*+
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Prueba de #ureJa de los recortes ud A
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9:mero de ,ueltas en la lla,e de t
;eacciones entre las 2utitas < el 2odo
El proceso de reacción puede ser tomado en consideraci en 7 etapas: • +n,asión del =uido de per3oración dentro de la lutita > p? ' ;T ln6am/as7 Eecto del 5iperbalance del lodo !rocesos osmóticos 6ambios eecti+os de esuer/o (penetración de la presión de poro)
• ;eacciones de 8inc8azón resultado de la in,asión del @ltrado • Dispersión < erosión del pozo < los recortes
)n(ibición de Lutitas por Lodos con Base de Aceite • Se (a 'isto ue los lodos con base de aceite producen una barrera osmótica en la superficie de la lutita • La barrera restringe en gran medida el mo'imiento de los iones entre el lodo y la lutita • La barrera >alto 'alor λ permite el control de la in'asión mediante el uso de una salinidad apropiada de los lodosE ∀ ∆µ ^ ∆ p HTλln>amas • l sobrebalance del lodo >∆ p es de una importancia secundaria como un propulsor para la in'asión en el caso de los lodos con base de aceite
)n(ibición de Lutitas por Lodos Base de Agua • Los lodos con base de agua comunes no producen una barrera osmótica en la superficie de la lutita >in'estigaciones en S9H y en otros lugares (an identificado los sistemas de lodo ue$ en un futuro$ podr%n funcionar de esta manera • l mo'imiento de iones entre el lodo y las lutitas no se encuentra restringido >el 'alor λ se encuentra cerca de cero • La in'asión est% controlada por ∆ p$ y no el euilibrio salinoE
∆µ ^ ∆ p HTλln>amas • Por ende$ la in'asión se 'e minimiJada en un ni'el ∆ p ba=o >debe (aber suficiente sobrebalance a fin de mantener la integridad del poJo y el control del poJo
)n'asión de iltrado Base de Agua • Los aditi'os de p:rdida de fluido con'encionales no pre'endr%n la in'asión de la lutita por el filtrado > a no ser ue est:n presentes 'etas o fracturas de alta permeabilidad • l filtrado 'iscosificado (ar% ue la in'asión sea m%s lenta$ pero no la detendr% por completo • l filtrado aumentar% la presión de poro en la lutita cercano al poJo >penetración de la presión de poro • l aumento de la presión de poro reducir% el esfuerJo efecti'o y tal vez cause una falla >derrumbe o flu=o pl%stico • La (inc(aJón de las lutitas yo la dispersión podr% ocurrir si el potencial uímico del filtrado difiere del potencial uímico del fluido de los poros
)n(ibición de las Lutitas por Lodos Base de Agua • #ebido a ue los lodos con base de agua utiliJados (oy en día no pre'ienen la in'asión por parte de los filtrados$ los lodos son formulados de manera ue reducen a un ni'el mínimoE " La (inc(aJón de lutitas acumulación de esfuerJo " Heblandecimiento y dispersión de las lutitas
Control de la inc8azón < Acumulación de Es3uerzo • La (inc(aJón y la acumulación de esfuerJo depende de los siguientes factoresE " 7ineralogía de la lutita " structura de las lutitas " 9omposición de los poros del fluido " 9omposición del filtrado " 9ontenido de (umedad de la lutita " Presión diferencial " H:gimen de esfuerJo
• Las lutitas con poco o nada de smectita pueden llegar a (inc(arse$ especialmente si el poJo se encuentra compactado y posee un ba=o contenido de agua
•
9ontrol de la 4inc(aJón y de la Acumulación de sfuerJo 9iertos cationes inorg%nicos limitan la (inc(aJón al entrar en reacciones de intercambio
de cationes con arcillas ue se est%n (inc(ando$ a fin de formar comple=os m%s establesE " Potasio >cloruro$ acetato$ formato " 9alcio >yeso$ cal " Aluminio >aluminio comple=o F e=& Alple+ de B4) " 9esio >parecido al potasio en cuanto al desempeKo pero con un costo m%s ele'ado " Amonio >parecido al potasio en cuanto al desempeKo$ pero puede llegar a producir amonio libre • Polímeros con ba=o peso molecularE " Glicoles " Polímeros cationicos
9ontrol del Ablandamiento y la #ispersión
• l reblandecimiento y la dispersión son controlados porE " La cementación de la lutita " l comportamiento de la (inc(aJón >a 'eces relacionada$ pero no siempre " 9ontenido de (umedad >Límites de Atterburg " La (idr%ulica del lodo • l reblandecimiento y la dispersión pueden ser disminuidos porE " Suficiente salinidad del filtrado para mantener floculados a los minerales de la arcilla >la composición de la sal no es crítica " Sales epecíficas >e=& potasio si las lutitas tambi:n se (inc(an " Polímeros peueKos >e=& glicoles$ cationicos " Polímeros con altos pesos moleculares >e=& P4PA " 4idr%ulica optimiJada del lodo
7ecanismos 9omunes de allas • 2as lutitas pro-lemBticas contienen 3racturas naturales < / o 3racturas inducidas por la per3oración
• El lodo in,ade aumentando la presión dentro de las 3racturas igualBndola a aquella dentro del pozo) Puede ser que la presión no se disipe rBpidamente de-ido a la -aa permea-ilidad de la 3ormación)
• 2a matriz de la lutita podrB o no ser qu4micamente reacti,a
• 2a acti,idad de per3oración causa el colapso del pozo de-ido al e3ecto com-inado del impacto mecBnico de la sarta A < las =uctuaciones de la presión en el pozo
)n'asión del Lodo en ormaciones de Lutitas racturadas
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
*ormaciones *racturadas
pozo
)ndicaciones de las *bser'aciones del 9ampo • El uso de o F in8i-iti,os podrá no otorgar una meora signi@cati,a en la calidad del pozo) En estos casos la in8i-ición qu4mica del pozo parece no ser el 3actor mBs cr4tico) • 2a esta-ilidad puede ser meorada5 Al no abrir racturas nue+as (compromiso: los re8uisitos de peso de lodo para la estabilidad de los po/os de peroración +s9 la %eneración de racturas nue+as) 6on la reducción del aumento de la presión en las racturas mediante el uso de pesos de lodo m.nimos el control de la pérdida de ;uido ellando las racturas con aditi+os espec.cos de lodo
9aracterísticas Sugeridas de los Lodos Base • uenas caracter4sticas de limpieza del pozo • Per@l reológico que disminu
• Geles rBpidos altos no progresi,os • ao ni,el de pHrdida de =uido • Presencia de materiales de -loqueo / taponamiento
• Pro,isión a cualquier in8i-ición qu4mica necesaria
Algunas ormulaciones Hecomendadas de Lodos Base • 2odo con ase de Agua de xido de etal ezclado 6Drillplex7 !erl reoló%ico preerido 6on el aditi+o >lople? se puede obtener una baa pérdida de ;uido as e+idencias del campo su%ieren 8ue el lodo controla las pérdidas dentro de las racturas
• 2odos Alternati,os @< con una alta concentración de %oma Bantana C< completamente de aceite
Heuisitos para Aditi'os de Lodo para un Bloueo de racturas fecti'o • 2os aditi,os de-en pre,enir la in,asión de =uidos dentro de las 3racturas pequeIas 6e) de-en reducir en gran medida el c8orro 6spurt7de lodo7)
• El aditi,o de-e estar presente permanentemente en el lodo < no ser utilizado como un tratamiento temporal 6de p4ldora7)
• 2os aditi,os de-en 5 er lo sucientemente %randes como para cubrir las aperturas de las racturas er lo sucientemente pe8ueos como para pasar a tra+és de los e8uipos primarios de control de los sólidos -ener un tamao correcto a n de disminuir a un m.nimo los eectos de la reolo%.a del lodo
*tros Aditi'os para el 9ontrol de Lutitas racturadas • Aditi'os de taponamiento " Polímeros " Gilsonita " Asfaltos " 9eras " Bentonita
• Aditi'os Creacti'osDE " Silicatos " osfatos
*luidos de Per3oración5 Estudios de Casos de Esta-ilidad de 2utitas • Datos disponi-les de re,isión Feolo%.a local $de cuenca normes de peroración G lodo de po/os 2oHset4 Datos de los re%istros de po/os 2oHset4 Iesultados de pruebas de es8uistos $ lodos reali/ados por terceros normación pro+eniente de otros clientes contratistas • Caracterización de las lutitas • Estudio de la-oratorio de las interacciones entre el esquisto < el lodo JKcleo JKcleo lateral recortes • ;espuesta recomendada >ormulación(es) preerida(as) de lodo Directrices de in%enier.a de peroración G lodo • +mplementación de la solución seguimiento del Hxito < modi@car seg:n las necesidades
)nestabilidad de LutitasE Soluciones • #eterminar las causas de la inestabilidad " sfuerJos del suelo " presión de poro " 7icrofracturas • naturales • inducidas por la perforación
" Heacti'idad uímica
• )dentificar e implementar las formulaciones apropiadas de lodo$ así como las pr%cticas de ingeniería de lodo y perforación