Fluidos de Perforación
Introducción a los Fluidos de Perforación
Ing. Aníbal Ríos C.
Enero 2016
Fluidos de Perforación EI Fluido de Perforación es el componente circulatorio que se utiliza en un equipo de perforación de pozos, formado por una mezcla de aditivos químicos en medio acuoso u oleoso, que proporcionan propiedades reológicas y físico-químicas idóneas a las condiciones operativas y a las características de la formación litológica a perforar. Ing. Aníbal Ríos C.
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Fluidos de Perforación
El objetivo de una operación de perforación es perforar, evaluar y terminar un pozo con la finalidad de crear valor, esto es, que producirá Petróleo y/o Gas eficazmente.
El propósito fundamental del Fluido es contribuir al logro de una Perforación Rápida y Segura mediante el cumplimiento y desempeño de sus funciones.
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Fluidos de Perforación
Funciones del Fluido de Perforación
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Funciones del Fluido de Perforación
Remover los Recortes durante la Perforación Controlar la Presión de Formación Suspender los Recortes cuando esté en Estático
Enfriar y Lubricar la Bna. y Flotar la Sarta de Perf’n .
Mantener la Estabilidad del Agujero Transmitir la Energía Hidráulica a la Barrena Obturar las Formaciones Permeables Permitir la Toma de Registros para una evaluación adecuada de la Formación
Minimizar el Daño al Yacimiento o Zona Productora Enero 2016
In . Aníbal Rí os C.
Funciones del Fluido de Perforación Remover los Recortes durante la Perforación
El transporte de sólidos desde el fondo hasta la superficie es función de dos parámetros: Fluido e Hidráulica. El Fluido cumple ésta función a través de la viscosidad, la densidad y el punto cedente, y la hidráulica, mediante la velocidad anular.
Pozos Verticales Pozos Desviados Pozos de Alto Angulo Pozos Horizontales
(Formación de Camas de Recortes) Ing. Aníbal Ríos C.
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Funciones del Fluido de Perforación
Pozo Vertical
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Funciones del Fluido de Perforación
Pozo de Alto Angulo
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Funciones del Fluido de Perforación
Pozo Horizontal
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Funciones del Fluido de Perforación
Controlar la Presión de Formación
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La presión ejercida por la columna de fluido en condiciones estáticas se llama presión hidrostática. Esta presión depende de dos parámetros: Densidad y Profundidad. La profundidad utilizada es la vertical o verdadera del pozo (TVD) y no la que corresponde a la longitud de la sarta (TMD).
La Presión Hidrostática es utilizada para controlar la presión de la formación con el fin de prevenir los brotes y lograr la estabilidad del agujero perforado.
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Funciones del Fluido de Perforación
Controlar la Presión de Formación Densidad del lodo: 1.50 gr/cm3 Profundidad del pozo: 4,200 m (TVD) Ph = Densidad X Profundidad 10 Ph = 1.50 X 4,200 10 Ph = 630 Kg/cm2
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Funciones del Fluido de Perforación
Suspender los Recortes cuando esté en Estático Los sólidos contenidos en el fluido se deben mantener en suspensión durante el mayor tiempo posible al momento de parar la circulación, para evitar problemas de empaquetamiento La suspensión es función de la resistencia o fuerzde a barrena. de gel, propiedad reológica del fluido que retarda la caída de los sólidos, pero que no la evita. Tixotropía.- Es la tendencia que tienen algunos fluidos de formar estructuras gelatinosas o semisólidas cuando están en reposo y que al ser sometidas a un esfuerzo vuelven a su estado srcinal.
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Funciones del Fluido de Perforación
Enfriar y Lubricar la Bna. y Flotar la Sarta de Perf ’n.
Enfriamiento.- El contacto entre la herramienta moledora y el material que se está moliendo genera una gran cantidad calor, calorde defricción fricción.y por Gracias al fluido quede pasa porllamado esos puntos esa zona de calor se logra un enfriamiento. Lubricación.- El fluido de control posee propiedades lubricantes dadas por los materiales viscosificantes y el diésel, logrando con esto disminuir el coeficiente de lubricación Flotación.- Un cuerpo sumergido parcial o totalmente en un líquido es empujado hacia arriba por una fuerza igual al peso del líquido desalojado.
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Funciones del Fluido de Perforación
Mantener la Estabilidad del Agujero
Formación Inestable.os L esfuerzos diferenciales alrededor del hoyo exceden la resistencia de la roca, srcinando su rompimiento o deformación y en consecuencia causando el ensanchamiento y/o reducción del hoyo. En estos casos, la tendencia a las pegas de tubería por empaquetamiento/puente o diferencial y los problemas de incremento de presión, torque, arrastres, entre otros, son evidentes.
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Funciones del Fluido de Perforación
Mantener la Estabilidad del Agujero
Formación impermeable altamente presurizada.Este tipo de condición se logra estabilizar con peso del lodo, esto es, por columna hidrostática. Formación permeable poco consolidada.- Este tipo de condición se logra estabilizar con revoques arcillosos (Enjarre) que se caracterizan por ser lisos, delgados, flexibles, compresibles y prácticamente impermeables y para casos extremos, ésta se logra estabilizar con agentes puenteantes y/u obturantes. Formación reactiva.- Este tipo de condición se logra estabilizar materiales inhibidores de formación y/o
fluidos Ing. Aníbal Ríosbase C.
aceite
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Funciones del Fluido de Perforación
Transmitir la Energía Hidráulica a la Barrena
Transmitir potencia hidráulica a la barrena.- El fluido es el medio por el cual se transmite la potencia hidráulica desde la superficie hasta el fondo del pozo. Esta potencia se puede optimizar mediante un programa hidráulico y cuyo fin es el de seleccionar el caudal que pasará a través de las toberas de la barrena, buscando la optimización de la hidráulica bajo los criterios de “la máxima potencia hidráulica” y “la máxima fuerza de impacto”, con la finalidad de alcanzar la mayor tasa de penetración (ROP).
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Funciones del Fluido de Perforación
Obturar las Formaciones Permeables
Obturamiento de la Formación Subnormal.- Ésta no es propiamente una función del fluido de perforación, pero debido recurrentes que la sefrecuencia presentan durante ala las perforación, se aocasiones incrementado con que se tiene que recurrir a la práctica de agregar al lodo de perforación diversos materiales conocidos como “OBTURANTES” para remediar o “curar” la formación subnormal.
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Funciones del Fluido de Perforación
Permitir la Toma de Registros
Toma de Registros para evaluar la Formación.- Las operaciones de registros con cable, disparos, apertura o cierre de circulación, de registros de presióndedeválvulas fondo, etc., son hechastoma con herramientas que se introducen al pozo utilizando cable o alambre de acero; Proveer un medio adecuado para efectuar este tipo de operaciones con cable, línea de acero y/o herramientas especiales, es esencial para poder llevar a cabo este tipo de actividad y para ello el fluido de perforación deberá contar con los valores adecuados de viscosidad y geles de tal manera que estas herramientas no encuentren resistencia a la hora de ir introduciendolas al pozo.
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Funciones del Fluido de Perforación
Minimizar el Daño al Yacimiento
Daño a la Formación Productora.- Se dice que la primera vez que penetras a la formación productora, es la última se tienecuando para nosedañar el Yacimiento. El dañochance que seque ocasiona perfora la zona productora con los fluidos de perforación son: Daño por Invasión de Fluidos Daño por Bloqueo de Agua Daño por Bloqueo de Aceite Daño por Bloqueo de Emulsión Daño por Cambio de Mojabilidad Daño por Invasión de Sólidos
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Fluidos de Perforación
Propiedades del Fluido de Perforación
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Propiedades del Fluido de Perforación Durante la perforación de un pozo petrolero es de suma importancia el control de las propi edades físicas y químicas de los fluidos de perforación. Estas propiedades deben ser controladas de tal forma que el lodo proporcione un trabajo eficiente, consecuencia se evalúan las propiedades del lodo para en obtener los beneficios siguientes:
El nivel deseado de cada propiedad. El control de las propiedades físicas y químicas. Conocimiento de los problemas ocasionados y las causas que los srcinan. Los tratamientos efectivos para solucionar estos problemas.
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Propiedades del Fluido de Perforación
Propiedades del Fluido de Perforación
Densidad Viscosidad Reología Tixotropía o Geles Filtrado Control de Sólidos Indeseables
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Propiedades del Fluido de Perforación
DENSIDAD
Es la Magnitud que expresa la relación entre la Masa y el Volumen de una Sustancia. El instrumento generalmente utilizado para determinar el peso del lodo es la balanza de lodos con una exactitud de ± 0.01gr/cm3. La balanza de lodos está diseñada de tal forma que la copa de lodo, en un extremo del brazo es balanceada por un contrapeso fijado en el otro extremo y un peso montado deslizante libre para moverse a lo largo de una escala graduada. Un nivel de burbuja está colocado en el brazo para permitir un balance preciso (cuando sea necesario se pueden utilizar acoplamientos para extender el rango de la balanza). Densidad = Masa/Volumen D = (gr)/(cm3)
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Propiedades del Fluido de Perforación
VISCOSIDAD
Es la resistencia al flujo de un fluido y se describe como la relación del esfuerzo de corte a una tasa o velocidad de corte.
Viscosidad Marsh.- mide la cantidad de segundos que tarda en pasar un volumen de ¼ de galón de fluido por el Embudo
Marsh ( tiene
un diámetro de 6 pulgadas en la parte superior y una longitud de 12 pulgadas. En la parte inferior, un tubo de orificio liso de 2 pulgadas de largo, con un diámetro interior de 3/16 pulgada, está acoplado de tal manera que no hay ninguna constricción en la unión. Una malla de tela metálica con orificios de 1/16 de pulgada, cubriendo la mitad del embudo, está fijada a 3/4 de pulgada debajo de la parte superior del embudo), la capacidad del Embudo es de 1500 ml al nivel de la malla. Viscosidad Marsh = Segundos
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Propiedades del Fluido de Perforación
REOLOGIA
Es una disciplina científica que estudia de la Deformación que sufren los fluidos cuando se les aplica una Fuerza. Es el estudio de los fluidos en movimiento. En la perforación se conocen dos tipos de fluidos y están bien definidos:
FLUIDOS NEWTONIANOS FLUIDOS NO NEWTONIANOS
Fluidos Newtonianos: Son aquellos cuya viscosidad se
mantiene constante independientemente de la velocidad a que están cortados cuando se mueven en conductos a régimen laminar. Fluidos No Newtonianos: Son todos los fluidos independientes del tiempo que no exhiben una relación directa entre el Esfuerzo de Corte vs Ríos la Velocidad Ing. Aníbal C.
de Corte
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Propiedades del Fluido de Perforación Newtoniano
No Newtoniano
REOGRAMA
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Propiedades del Fluido de Perforación
REOLOGIA
La medición de las propiedades reológicas de un lodo es importante para calcular y analizar:
Pérdidas dede Presión pordeFricción Capacidad Acarreo los Recortes Capacidad de Suspensión de los Recortes en Estático Contaminación del Lodo Cambios de presión en el pozo durante los viajes
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Propiedades del Fluido de Perforación
REOLOGIA
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Propiedades del Fluido de Perforación
REOLOGIA Vc vs Ec
L600 = 50 L300 = 32 L200 = 18 L100 = 10 L6 = 6 L3 = 3 Gel0 = 3 Gel10 = 6
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Propiedades del Fluido de Perforación
REOLOGIA
En terminología de campo petrolero, la frase, propiedades de flujo o Reología y la Viscosidad, es la expresión generalmente usada para describir las cualidades de un lodo de perforación en movimiento. Viscosidad es la resistencia que ofrece un fluido a deformarse (a fluir). Entre las propiedades reológicas
están:
VISCOSIDAD APARENTE.- Es la viscosidad que tiene un fluido en
función de su velocidad de movimiento. Es la resistencia al flujo de un fluido, causada principalmente por las fuerzas de atracción de sus partículas y en menor grado por la fricción creada entre ellas a una determinada velocidad de corte. Para determinar la viscosidad aparente se utiliza la ecuación: Va = L600/2 (cps) Ing. Aníbal Ríos C.
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Propiedades del Fluido de Perforación
REOLOGIA
VISCOSIDAD PLASTICA.- Es la resistencia al flujo srcinada por la
fricción mecánica generada por el rozamiento y concentración de los sólidos entre sí y la viscosidad de la fase líquida que los rodea. Esta fricción contenidos se produce:en el lodo. Entre los sólidos Entre los sólidos y el líquido que lo rodea. Debido al esfuerzo cortante del propio líquido En general, al aumentar el porcentaje de sólidos en el sistema, aumentará la viscosidad plástica. Para determinar la viscosidad plástica se utiliza la ecuación: Vp = L600 - L300 (cps) Ing. Aníbal Ríos C.
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Propiedades del Fluido de Perforación
REOLOGIA
PUNTO DE CEDENCIA.- Es la resistencia al flujo causada por
las fuerzas de atracción electroquímicas entre las partículas sólidas. Estas fuerzas son el resultado de las cargas negativas y positivas localizadas cerca de la superficie de las partículas. El punto cedente bajo condiciones de flujo depende de: Las propiedades de la superficie de los sólidos del lodo. La concentración de los sólidos en el volumen de lodo. La concentración y tipos de iones en la fase líquida del lodo. Para determinar el punto de cedencia se utiliza la ecuación: Pc = L300-Vp (Lbs/100 ft2) Ing. Aníbal Ríos C.
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Propiedades del Fluido de Perforación
REOLOGIA
FUERZA DE GEL.- Es la medida del esfuerzo de ruptura o resis-
tencia de la consistencia del gel formado, después de un período de reposo. La tasa de gelatinización se refiere al tiempo requerido para formarse el gel. El grado de tixotropía se determina midiendo la fuerza de gel al principio de un período de reposo de 10 segundos, después de agitarlo y 10 minutos después. Esto se reporta como fuerza de gel inicial a los 10 segundos y fuerza de gel final a los 10 minutos. Gel0-10 = (Lbs/100 ft2) Ing. Aníbal Ríos C.
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Propiedades del Fluido de Perforación
FILTRADO
Es la pérdida de fracción líquida de un fluido hacia la formación cuando la permeabilidad de ésta lo permite. La fase líquida puede ser agua o aceite. La filtración del fluido a la formación se contrarresta mediante la formación de un enjarre que sirve de medio filtrante y disminuyendo la diferencial de presión entre la columna hidrostática y la presión de fondo de la formación. Existen 2 tipos de filtración en los fluidos de control: Filtración Dinámica y Filtración Estática. La primea ocurre cuando el fluido está circulando, en tanto que el segundo tiene lugar cuando el fluido está en reposo. Ing. Aníbal Ríos C.
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Propiedades del Fluido de Perforación FILTRO PRENSA API
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FILTRO PRENSA APAT
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Propiedades del Fluido de Perforación
CONTROL DE SOLIDOS INDESEABLES Las propiedades Reológicas y la Velocidad de Penetración se afectan por la cantidad, tamaño y composición de los sólidos en el lodo. Los sólidos incorporados desgastan la tubería, taponan las perforación herramientaspuede de fondo, etc. Lapor concentración de sólidos de reducirse dilución o por equipo mecánico de remoción de sólidos.
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Propiedades vs Funciones del Fluido de Perforación PROPIEDADES
FUNCIONES
DENSIDAD
VISCOSIDAD
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Mantener controlada la Presión de Formación Mantener la estabilidad del agujero Soportar el peso de la sarta de perforación Remover los Recortes durante la Perforación Permitir la Toma de Registros para una evaluación adecuada de la Formación
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Propiedades vs Funciones del Fluido de Perforación PROPIEDADES
FUNCIONES
REOLOGIA
GELES
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Mejorar la limpieza del pozo durante la perforación Evitar atrapamiento de la sarta, fricciones, torsiones, arrastres, resistencias, paros de rotaria Transmitir la energía hidráulica a las herramientas y barrena Suspender los Recortes de Perforación cuando se queda estático el fluido Disminuir el tiempo de asentamiento de los recortes en tiempos prolongados de reposo Enero 2016
Propiedades vs Funciones del Fluido de Perforación PROPIEDADES
FUNCIONES
FILTRADO
CONTROL DE SOLIDOS
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Mantener la estabilidad del agujero D ismac minu ir pro elducdtor añao for ión
a
la
Mejorar la hidráulica de limpieza del pozo y disminuir la presión de circulación en la bomba de lodos Evitar atrapamiento de sarta por acuñamiento Enero 2016
Fluidos de Perforación
QUIMICA DE LAS ARCILLAS
Ing. Aníbal Ríos C.
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QUIMICA DE LAS ARCILLAS El término Arcilla del griego “argilos que significa “blanco ”, se utiliza en mineralogía para designar al conjunto de minerales secundarios de pequeño tamaño de partícula, (< 2 μm) perteneciente a la subclase de los silicatos laminares. Son fundamentalmente Silicatos de Aluminio Hidratados con estructura en capas con espaciamientos y contenidos en los espacios interlaminares característicos para cada mineral. ”
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QUIMICA DE LAS ARCILLAS Sus propiedades son consecuencia de sus características estructurales. La estructura interna y composición química de cada mineral de la arcilla le confiere unas características muy específicas de reactividad química. A) ESTRUCTURA DE LOS MINERALES DE ARCILLA
La estructura de los filosilicatos está formada por la unión de capas tetraédricas y octaédricas. Ing. Aníbal Ríos C.
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QUIMICA DE LAS ARCILLAS La capa octaédrica está formada por una serie de tetraedros de oxígeno que comparten tres vértices que se extienden formando una capa en dos direcciones del espacio, iones silicio se sitúan en los centros de los tetraedros coordinados con los oxígenos. Es frecuente encontrar en los filosilicatos, iones Aluminio sustituyendo parcialmente al Silicio en esta red tetraédrica. Ing. Aníbal Ríos C.
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QUIMICA DE LAS ARCILLAS En la figura 2.1 se muestra la estructura elemental tetraédrica, el átomo central es el Silicio unido a 4 átomos de Oxígeno.
Hidroxilos
Aluminio, Magnesio
Figura 2.1 El tetraedro Elemental
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QUIMICA DE LAS ARCILLAS Si cada átomo de silicio tiene cuatro cargas eléctricas positivas, mientras que cada átomo de oxígeno tiene dos cargas negativas, es necesario que cada uno de los átomos de oxígeno use una de sus cargas para atraer a una de las cargas del silicio, quedando así saturado el átomo central (Si), mientras que las esquinas todavía tienen una carga negativa para enlazarse a otro átomo con carga positiva. Cuando esto último ocurre, entonces tenemos que se puede formar una cadena de tetraedros.
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QUIMICA DE LAS ARCILLAS Similarmente, podemos formar cadenas verticales que se unen a las cadenas horizontales para formar redes, y se pueden formar arreglos tridimensionales superponiendo una red encima de otra. También podemos sustituir uno de los átomos de silicio por otro, por ejemplo de aluminio ( Al), con lo cual el arreglo quedaría desbalanceado, ya que el Aluminio sólo tiene tres cargas eléctricas positivas en vez de cuatro, dejando una carga negativa "extra" en uno de los átomos de oxígeno
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QUIMICA DE LAS ARCILLAS La carga negativa desbalanceada puede ser satisfecha por un catión positivo, por ejemplo el Sodio (Na) o el Potasio (K), con lo cual se logra nuevamente una estructura neutra. Los oxígenos radicales de los tetraedros, así como grupos OH -, configuran una nueva capa formada por octaedros que comparten aristas en cuyos centros se localizan iones bi o trivalentes, pudiendo en ocasiones estar vacías parte de las posiciones octaédricas. Ing. Aníbal Ríos C.
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QUIMICA DE LAS ARCILLAS El número y disposición de estas capas tetra y octaédricas constituye el primer elemento distintivo en las redes de los filosilicatos. Con arreglo esta se puede establecera tres tiposcaracterística de unidades estructurales:
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QUIMICA DE LAS ARCILLAS
En el primer tipo, la unidad respectiva está formada por una capa tetraédrica que comparte sus oxígenos con una capa octaédrica, el plano opuesto de ésta última está formado exclusivamente por grupos OH- Esta configuración define una lámina denominada 1:1 que se unirá con otras similares para formar el conjunto de estructuras. Ing. Aníbal Ríos C.
La segunda posibilidad consiste en la existencia de dos capas tetraédricas con sus oxígenos apicales situados unos frente a otros. Estos oxígenos, junto con grupos OHforman una nueva capa octaédrica situada entre las anteriores. Así se tiene una unidad repetitiva de tipo 2:1 Enero 2016
QUIMICA DE LAS ARCILLAS El tercer tipo estructural se forma por unidades de tipo 2:1, alternada con una capa octaédrica. Esta capa no comparte con ninguna de las otras formada por de dosoctaedros planos de iones sino OH -que queestá define una red cuyos centros se sitúan cationes. La unidad que se forma, es una nueva lámina del tipo 2:1:1 o 2:2.
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QUIMICA DE LAS ARCILLAS B) TIPOS DE ARCILLAS QUE INTERACTÚAN CON LOS FLUIDOS DE PERFORACIÓN.
Las arcillas que nos interesan con los fluidos de p e r f o r a c i ó n b a s e a g u a s e d i v i d e n e n tr e s ti p o s : El primer tipo: consta de arcillas en forma de aguja no hinchable como la atapulguita o sepiolita usada en los fluidos base agua salada. El segundo tipo: son las arcillas laminares no hinchables (o ligeramente hinchables) como son: La Ilita, Clorita y Kaolinita El tercer tipo: este tipo de arcillas minerales arcillosas (arcilla de tres capas), son las montmorrillonitas laminares que son muy hinchables. Ing. Aníbal Ríos C.
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QUIMICA DE LAS ARCILLAS ATAPULGUITA O SEPIOLITA: Debido a su forma y a sus características no hinchables, estas arcillas muestran un control de filtración muy débil. Por este motivo, la atapulguita se usa principalmente como mejorado de viscosidad lodos generalmente base agua salada, mientras que la sepiolita, en se losusa como viscosificador suplementario para los fluidos geotérmicos y de alta temperatura. Estas arcillas no están casi nunca presentes en las arcillas de la formación a perforar.
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QUIMICA DE LAS ARCILLAS ILITA: Las ilitas, (Arcillas de tres capas), al igual que las micas verdaderas constan de una capa unitaria integrada por una hoja de octaedros de Al 3+ en medio de dos hojas de tetraedros 4+
de Si . La celda unitaria la misma la siempre de la montmorrillonita, excepto queesalgunos Si4+que están reemplazados por Al3+ y la deficiencia de carga está balanceada por iones K+ pero no muestran la capacidad de hinchamiento entre capas. El espacio entre las capas unitarias es de 2.8A°. El diámetro iónico de K + es de 2.66A°, esto permite que el K + encaje perfectamente entre las capas unitarias, formando un enlace que impide el hinchamiento en la presencia de agua. Ing. Aníbal Ríos C.
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QUIMICA DE LAS ARCILLAS ILITA: A medida que la profundidad del pozo aumenta, la esméctica se convierte gradualmente en arcillas de capas mixtas de ilita/esméctica, y finalmente en ilita y mica. Como resultado, las formaciones de lutita se vuelven generalmente menos hinchables pero más dispersivas en agua, a medida que la profundidad aumenta.
CLORITA: Las cloritas, (Arcillas de tres capas), El nombre de las Cloritas procede del griego chlorós , que significa verde, color dominante en muchas de estas especies. Las Cloritas están estructuralmente relacionadas con las arcillas de tres capas. Las Cloritas no Ing. Aníbal Ríos C.
se hinchan en su forma pura.
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QUIMICA DE LAS ARCILLAS CLORITA: En estas arcillas, los cationes compensadores de carga entre las capas unitarias de tipo montmorrillonita son reemplazados por una capa de hidróxido de magnesio octaédrico, o brucita. Esta capa tiene una carga positiva neta debido a la sustitución de ciertos Mg2+ por AL3+ en la capa de brucita. La capacidad de intercambio catiónico (CIC) de la Clorita varia de 10 a 20 meq/100g, principalmente debido a los enlaces rotos. La distancia entre capas de Clorita puede ser de aproximadamente 14A°.
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QUIMICA DE LAS ARCILLAS KAOLINITA: Las kaolinitas, (Arcillas de dos capas), es una arcilla no hinchable cuyas capas unitarias están fuertemente ligadas mediante enlaces de hidrogeno. Esto impide la expansión de la partícula porque el agua no es capaz de penetrar en las capas. La kaolinita no contiene cationes entre capas ni tiene cargas superficiales porque no se produce casi ninguna sustitución en las hojas tetraédricas u octaédricas. Por lo tanto, la kaolinita tiene una capacidad de intercambio catiónico relativamente baja (de 5 a 15 meq/100g).
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QUIMICA DE LAS ARCILLAS MONTMORILLONITA: Las montmorillonitas laminares, (Arcillas de tres capas), son arcillas muy hinchables, como están presentes en las formaciones perforadas estas arcillas se dispersan en cantidades variables dentro del sistema de fluido de perforación. La Bentonita es una montmorillonita sódica, es uno de los minerales más importante del grupo de las esmectita. Son minerales de partículas muy pequeñas por lo que su superficie específica es muy grande, son expandibles debido a la admisión de moléculas polares (agua) entre sus capas. En agua dulce, las capas absorben el agua y se hincha hasta el punto en que las fuerzas que las mantienen unidas se debilitan y las capas individuales pueden separarse de los paquetes. Ing. Aníbal Ríos C.
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QUIMICA DE LAS ARCILLAS MONTMORILLONITA: La separación de estos paquetes en múltiples capas se llama “dispersión”. Este aumento del número de partículas, junto con el aumento, resultante del área superficial, causa que la viscosidad de una suspensión se incremente. Esta forma característica de la bentonita parecida a una baraja de cartas, es lo que produce el llamado efecto de enjarre que es tan importante para el control del filtrado. La diferencia de expansión entre las esmectita saturadas con iones Ca, Mg o Na, se debe al grado de hidratación de estos iones, el grado de hidratación del sodio es mayor que en el Ca o Mg. El grado de separación interlaminar en las esmectita depende del tamaño del catión intercalado y de su estado de hidratación. Ing. Aníbal Ríos C.
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QUIMICA DE LAS ARCILLAS MONTMORILLONITA: La montmorillonita puede adsorver moléculas orgánicas polares, la admisión de estas moléculas modifica sensiblemente el espaciado basal y se usa como un criterio de identificación. Es importante mencionar que el grado de hidratación de un catión depende de su radio de hidratación.
Ing. Aníbal Ríos C.
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QUIMICA DE LAS ARCILLAS C) HIDRATACIÓN DE LAS ARCILLAS:
El cristal de bentonita se compone de 3 capas: 1 capa de alúmina con 1 capa de sílice encima y otra debajo.
Ing. Aníbal Ríos C.
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QUIMICA DE LAS ARCILLAS D) INFLUENCIA CATIÓNICA SOBRE LA HIDRATACIÓN: Como se indicó previamente, el poder relativo de sustitución de un catión por otro está indicado por la siguiente secuencia: H+ > Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > NH4+ >Na+ > Li+ Un catión puede servir de enlace para mantener unidas a las partículas del mineral arcilloso, lo cual reduce la hidratación. Los cationes multivalentes producen un enlace fuerte entre las en capas que los cationes monovalentes, lo cual más resulta generalmente la agregación de las partículas de arcilla. Los cationes monovalentes que tienen grandes diámetros hidratados causan el mayor hinchamiento y la mayor dispersión. Los cationes multivalentes que tienen pequeños diámetros hidratados son los más inhibidores.
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QUIMICA DE LAS ARCILLAS E) PROCESOS DE ENLACE DE LAS PARTÍCULAS DE ARCILLA: Además de conocer la cantidad y calidad de las arcillas de un lodo, se requiere conocer el estado de asociación de las partículas de arcilla. Los mecanismos de enlace de las partículas de arcilla son importantes para entender la reología en las suspensiones de arcilla, y por lo tanto los cambios reológicos que se producen en el fluido de perforación. Las partículas de arcilla se asocian cuando están en uno de los siguientes estados: Agregación, Dispersión, Floculación o Defloculación (ver Fig. 8). Figura 8: Asociación de las arcillas
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QUIMICA DE LAS ARCILLAS E.1) AGREGACION: Es el enlace de cara a cara resulta en la formación de láminas o paquetes más gruesos. Esto reduce el número de partículas y causa una reducción de la viscosidad plástica. La agregación puede ser causada por la introducción de cationes divalentes, tales como Ca2+, en el fluido de la perforación. Esto podría resultar de la adición de cal o yeso, o de la perforación de anhidrita o cemento. Después del aumento inicial la viscosidad disminuirá con el tiempo y la temperatura, hasta llegar a un valor inferior al valor inicial.
E.2) DISPERSION: Reacción contraria a la agregación resulta en un mayor número de partículas y viscosidades plásticas más altas. laminillas de arcillas son normalmente agregadas antes de ser hidratadas y cierta dispersión ocurre a medida que se hidratan. El 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. Ing. Aníbal Ríos C.
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QUIMICA DE LAS ARCILLAS E.3) FLOCULACION: Se refiere a la asociación de borde a borde y/o borde a cara de las partículas, resultando en la formación de una estructura similar a un Castillo de Naipes. Esto causa un aumento de la viscosidad, gelatinosidad y el filtrado. La severidad de este aumento depende de las fuerzas que actúan sobre la partículas enlazadas y del numero de partículas disponibles para ser enlazadas”. Cualquier cosa que aumenta las fuerzas repulsivas entre las partícula o causa la contracción de la película de agua adsorbida, tal como la adición de cationes divalentes o las temperaturas elevadas pueden fomentar la floculación.
E.4) DEFLOCULACION: Es la disociación de las partículas floculadas. La adición de ciertos productos químicos al lodo neutraliza las cargas electroquímicas, en las arcillas. Esto elimina la atracción que resulta del enlace borde a borde y/o borde a cara entre las partículas de arcilla. Ing. Aníbal Ríos C.
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QUIMICA DE LAS ARCILLAS Estabilizador Embolado
Barrena Embolada Ing. Aníbal Ríos C.
Enero 2016
QUIMICA DE LAS ARCILLAS Explicación físico-química del problema Las arcillas como la esmectita esta estructurada por plaquetas en cuyas aristas tienen cargas positivas y negativas. Cuando son cortadas por la barrena el corte arcilloso debe ser inmediatamente inhibido y humectado por el fluido para evitar que se plastifique y que las cargas fraccionales de la arcilla produzca conglomerados al acumularse unos con otros. La lubricación del fluido permite que los recortes inhibidos y humectados, se desplacen libremente hacia la superficie sin embolar barrenas y estabilizadores, así como una alta penetración de la formación perforada. Cuando no se tienen las condiciones físico-químicas anteriores del fluido y con fallas frecuentes de bombas o bombeo deficiente, sucede el problema de obstrucción de la línea de flote y embolamiento de barrena. Enero 2016
Ing. Aníbal Ríos C.
QUIMICA DE LAS ARCILLAS Explicación físico-química del problema Las condiciones físico-químicas especiales que el responsable del fluido debe considerar cuando perfora agujeros arcillosos de diámetro amplio y con fluidos base agua, son: Tensión
superficial, lubricación e inhibición de hidratación, teniendo estas propiedades óptimas y con eficiencia de las bombas se evitaran este tipo de problemas. La deficiencia hidráulica cuando las velocidades de penetración son altas e incontroladas provoca también este tipo de problema que incluso, puede llegar al empacamiento de la sarta y pérdidas inducidas de fluido. Ing. Aníbal Ríos C.
Enero 2016
QUIMICA DE LAS ARCILLAS RENDIMIENTO DE LAS ARCILLAS El rendimiento de las arcillas se define como el número de barriles de lodo de 15 cP (centipoise) que se puede obtener a partir de una tonelada de material seco.
In . Aníbal Rí os C.
Enero 2016
QUIMICA DE LAS ARCILLAS FACTORES QUE AFECTAN EL RENDIMIENTO DE LAS ARCILLAS: La hidratación y la dispersión de la arcilla seca son muy afectadas si el agua de preparación contiene sal o varios iones metálicos. Cl- , Ca+2 Efe cto d e la visco sidad c u an d o s e añad e Benton ita a l Agu a que con tie ne distintas con centraciones de sal o calcio.
In . Aníbal Rí os C.
Enero 2016
QUIMICA DE LAS ARCILLAS FACTORES QUE AFECTAN EL RENDIMIENTO DE LAS ARCILLAS: EFECTO DEL PH: La mayoría de todos los lodos de perforación son tratados de manera que sean alcalinos, es decir que deberían tener un pH mayor de 7. La viscosidad de una suspensión de bentonita alcanza su punto más bajo dentro del rango de pH de 7 a 9,5. Esta es una de las razones por las cuales la mayoría de los fluidos de perforación a base de agua son utilizados dentro de este rango. La mejor hidratación de las arcillas del tipo montmorillonita sódica se alcanza en el rango de pH = 9.5 In . Aníbal Rí os C.
Enero 2016
