60

U

en la capacidad de transporte de recortes) cuando el lodo esta sometido a ratas de cizalladura bajas (las comunes en el flujo anular) Ademas a ratas de cizalladura altas (las comunes en la tuberia de perforaci6n yen las boquillas de la broca) el CMC hace que la viscosidad efectiva del lodo aumente elevando la resistencia friccional y requiriendo mayores presiones de bombeo -para ratas de flujos equivalentes- que las necesitadas por un lodo al cual se Ie controlan perdidas con un poHmero no i6nico

42 Lodos calcicos

Son alta mente tratados con compuestos de calcio cati6n divalente que inhibe el hinchamiento de arcillas de las formaciones perforadas Por esto son muy utilizados en operaciones de perforaci6n para controlar laquoshalesraquo facilmente desmoronables evitar ensanchamiento del pozo y prevenir el dano de formaciones potencialmente productoras

Normalmente se obtienen por adici6n (a lodos constituidos por benton ita y agua) de cal apagada (a los asi logrados se les llama sistemas de cal 0 lodos calados) 0 yeso (sistemas de yeso 0 lodos de yeso) de tal forma que la arcilla s6dica (benton ita) se convierta en arcilla calcica Terminada la conversi6n se agrega un exceso de cal 0 de yeso para asegurar dicho proceso Los sistemas de cal usualmente presentan concentraciones en exceso de ella de 1 a 2 Ibmbbl (Iodos bajos en cal) 0 de 5 a 15 Ibmbbl (Iodos altos en cal)

Por su lado los sistemas de yeso pueden presentar concentraciones en exceso de 2 a 4lbmbbl

Ambos sistemas requieren comunmente de otros aditivos (adelgazantes poHmeros sosa caustica etcetera) para controlar las propiedades de cada lodo

43 Lodos dispersos

Cuando se perfora a grandes profundidades 0 en formaciones alta mente problematicas pueden ser muy utiles estos lodos que presentan como caracteristica principal la dispersion de las arcillas constitutivas (10 que adelgaza el lodo) lograda usualmente con lignosulfonatos Estos u otros aditivos similares reducen las perdidas de filtrado del lodo a la vez que 10 adelgazan Otros materiales tales como lignitos solubles y aditivos quimicos especializados tam bien son usados en los lodos dispersos para controlar las propiedades requeridas en una perforaci6n especifica

Lodos con lignosulfonatosEn general se considera este lodo como fluido de perforaci6n para todo prop6sito y practicamente su desempeno se ajusta a esa descripci6n Sin embargo es de especial importancia en la perforaci6n donde (1) se requieren lodos de densidad alta (mas de 14 Ibmgal) (2) se pueden encontrar temperaturas relativamente altas (250 a 300degF) (3) se desea una tolerancia alta a los solidos (4) se requiere una perdida de filt~ado baja (generalmente menos de 10 ml API) (5) es necesaria la tolerancia a la sal comun anhidrita (CaSO~) 0 yeso (CaS042HP) y (6) se desea resistencia a contaminaci6n con cemento

La composici6n basica dellodo incluye agua dulce 0 agua de mar bentonita lignosulfonatos de ferrocromo 0 de cromo (y tal vez ahora los lignosulfonatos libres de cromo ver el numeral 51) soda caustica CMC 0 almid6n estabilizado y cor frecuencia un preservativo Los materiales opcionales incluyen lignito aceite lubricantes surfactantes etcetera

LECTURAS SOBRE WDOS DE PERFORACfON

Los siguientes factores son importantes cuando se considera el uso de lodo con lignosulfonato

EI caracter adelgazante del lignosulfonato se degrada termicamente de 230 a 250 of Se puede estabilizar temporalmente tal caracter con adiciones de 01 a 02 Ibmbbl de cromato 0 bicromato de sodio

EI caracter de reductor de filtrado dellignosulfonato se degrada a 350 of Los lodos con lignosulfonato tratados intensamente pueden parecer estables termicamente a temperaturas mayores de 350degF sin embargo gran parte de esa Ilamada estabilidad es simplemente una indicacion de que hay tanto lignosulfonato presente en el lodo que debe ocurrir una degradacion considerable antes de poder ver los efectos

La viscosidad de los lodos con lignosulfonato se reduce considerablemente con el aumento de temperatura Pruebas de laboratorio y de campo han mostrado que tal reduccion excesiva de viscosidad Ileva a asentamiento de los densificantes y a una capacidad muy pobre para transportar recortes Debido a dicha reduccion un programa hidraulico disenado para mantener el flujo laminar en el anular puede fracasar porque el flujo en el fondo del pozo lIega a ser turbulento (con este flujo pueden presentarse problemas de erosion)

Los lodos con lignosulfonato no son efectivos para estab ilizar la mayoria de shales Observaciones realizadas en una celda de alta temperatura yalta presi6n indicaban que estos lodos desestabilizaban shales que contienen arcillas de montmorillonita e incluso shales que contienen arcillas illiticas cloriticas y caoliniticas Esto se ha verificado muchas veces en operaciones de campo

EI filtrado de los lodos con lignosulfonato puede ser responsable de danos de formacion (reduccion de la permeabilidad) altamente sign ificativos en formaciones potencialmente productoras La valiosa propiedad del lignosulfonato en el fluido de perforacion -su capacidad para deflocular y dispersar arcillas- se convierte en un factor perjudicial a medida que el filtrado invade zonas potencialmente productoras que contienen arcillas La dispersion y desalojamiento de particulas de arcillas en las zonas permeables permiten que las arcillas se desplacen y finalmente taponen los poros -tal vez con un efecto parecido al de una valvula de cheque- Las permeabilidades se pueden reducir tan seriamente por esta accion que intervalos potencial mente productores pueden inicialmente pasarse por alto 0 despues de probar para mirar el potencial de productividad dejarlos abandonados

Los lodos con lignosulfonato que se han usado para perforar cementa 0 que han sido tratados con cal apagada pueden sufrir cementacion por alta temperatura al combinarse los iones de calcio y los hidroxilos de la cal apagada Tal situacion se ha experimentado en varios pozos

Los lodos con lignosulfonato pueden no ser bien representados por el modelo reol6gico Bingham (ver la secci6n seis) Por ello para estimar mejor sus puntos de cedencia es aconsejable establecer bien las curvas de consistencia correspondientes

CLASF1CAClON SEGUN COMPOSCION DE LOS PRJNCPALES LaDaS DE PERFORACION 61

62

44 Lodos bajos en s6lidos

Son aquellos cuya cantidad y tipo de s61idos son estrictamente controlados pues de no hacerlo las propiedades fundamentales de estos lodos -y por ende las funciones especfficas que deben cumplir- pueden verse r13pida y seriamente afectadas Estos lodos no deben presentar porcentajes (en volumen) de s61idos totales por encima de 10 la relaci6n de s61idos perforados a benton ita debe ser menor que 2 1 y la cantidad de s61idos arcillosos tambien debe ser controlada

La principal ventaja de estos sistemas es que mejoran significativamente la rata de perforacion en las formaciones para las cuales son recomendados

Lodos con cloruro de potasio y polimeros

Los primeros esfuerzos para usar cloruro de potasio en lodos como inhibidor de reacci6n ante shales resultaron ser un fracaso ya que no habia aditivos para perdida de filtrado y viscosificadores que funcionaran bien en un medio potasico En arios recientes han aparecido productos nuevos que hacen practico el uso de lodos con cloruro de potasio en muchas areas de dificil perforaci6n La concentraci6n de cloruro de potasio usada depende del tipo de formaci6n a perforar los lodos con concentraciones bajas (5 a 7 en peso del aguautilizada para preparar ellodo) se usan en formaciones de shales firmes 0 de shales inestables que contengan muy poca esmectita y en arenas potencialmente ricas en hidrocarburos y que puedan sufrir danos en su permeabilidad al ponerse en contacto con agua dulce Los lodos con concentraciones altas (10 a 20 en peso del agua) se utilizan para perforar shales tipo gumbo -que se hacen pegajosos y pierden su porosidad al ponerse en contacto con agua dulce- para arcillolitas y lodolitas que sean dispersadas facilmente por lodos base agua dulce y para perforar shales ricos en esmectita estas ultimas formaciones se desmoronan por contacto con el agua dulce

La composici6n basica de estos lodos middotes por 10 general una combinaci6n de varios de los siguientes materiales agua dulce 0 agua de mar cloruro de potasio un polimero para inhibici6n (generalmente proliacrilamida) un polimero generador de viscosidad (con frecuencia del tipo XC) benton ita prehidratada almid6n estabilizado 0 CMC potasa caustica 0 soda caustica y otros aditivos tales como lubricantes Los siguientes son algunos factores importantes a considerar cuando se contempla el uso de lodos con cloruro de potasio

En general presentan baja tolerancia a los s61idos y por consiguiente tienen que ser altamente procesados (control l1lecanico de s6lidos por ejemplo) 0

ser diluidos y descartados cuando se usan para perforar shales problematicos Estas exigencias hacen de este lodo uno de los mas onerosos

Por la presencia necesaria de polimeros para controlar las perdidas de filtrado la estabilidad termica de estos lodos limita su uso a 250degF como maximo

Estos lodos exhiben un comportamiento plastico de Bingham con puntos de cedencia altos y buenas viscosidades a ratas de cizalladura bajas su capacidad de limpieza del pozo es grande Sus buenas propiedades reol6gicas facilitan su tratamiento en zarandas mecanicas para shales 0 en desarenadores y deslimadores tipo ciclon

LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACION

Las observaciones visuales en laboratorio que usan una celda de alta temperatura yalta presion indican que el lodo con cloruro de potasio es el lodo de base agua mas efectivo para estabilizar shalesraquo problematicos

EI uso de CMC para controlar la perdida de filtrado produce una disminucion del punto de cedencia real y de las fuerzas gel Consecuentemente la viscosidad dellodo a rata de cizalladura baja (Ia que se presenta en el anular) sera mas baja y reducira la capacidad de limpieza del hoyo

Cuando se perforan shales con capacidad de intercambio cationico alta (como la presentada por la mayorfa de shales tipo gumbo) el consumo de cloruro de potasio es muy elevado Desafortunadamente la velocidad de consumo tambien es alta y por ende es probable que sea diffcil mantener la concentracion deseada del i6n de potasio (responsable de la estabilizacion de las formaciones perforadas) Si el valor de la concentracion cae demasiado bajo se reduce la efectividad del lodo para estabilizar los shales Algunos ensayos sin exito con este lodo se pueden atribuir casi exclusivamente a la incapacidad de agregar con velocidad suficiente c1oruro de potasio Por consiguiente es muy importante elaborar un plan que tenga en cuenta esta situaci6n cuando se vaya a usar lodo con cloruro de potasio

45 Lodos saturados con sal

Este es el nombre comun para un lodo de perforaci6n en el que la fase de agua esta saturada (minimo 189000 ppm) con cloruro de sodio En general se usan estos lodos donde hay que perforar secciones con sal 0 domos de sal 0 shales problematicos u otro tipo de formaciones que se afecten por la presencia de agua dulce

La composicion basica de estos lodos es agua dulce agua de mar 0 salmuera sa comun bentonita (por 10 general prehidratada) 0 atapulgita mas CMC 0 almid6n Otros materiales opcionales son soda caustica lignosulfonato cal apagada lubricantes

Los siguientes son factores que se deben considerar cuando se piense en el uso de lodos saturados con sa

Aunque ellodo saturado con sal tiene alta capacidad de tolerancia a los solidos se hace casi inmanejable cuando se permite que el contenido de solidos de gravedad especffica baja se vuelva alto Por supuesto el significado de alto depende de la densidad dellodo - entre mas alta sea mas baja la cantidad de s61idos de baja gravedad que pueden ser tolerados - Asf para que un lodo saturado con sal y de densidad 11 1 Ibmgal cum pia bien sus funciones debe presentar -como maximo- 9 en volumen (aproximadamente 75Ibmbbl) de solidos de baja gravedad especifica

La estabilidad termica dellodo esta basicamente limitada por la temperatura de degradaci6n de su componente menos estable

Despues de los lodos base aceite y de los preparados con cloruro de potasio (sin contar los preparados con materiales polimericos) los saturados con sal son de los mejores para perforar shales problematicos No obstante muchas veces se opta por no usar los lodos saturados con sal por dos razones

CLASIFICACIO SEGUN COMPOSICION DE LOS PRINCIPALES LODOS DE PERFORACION 63

64

Requleren cantidades mayores -con respecto a los otros lodos- de mat~riales para controlar sus perdidas de filtrado Ello se debe a que son sistemas inhibidos (presentan aditivos que impiden 0 limitan su reaccion con las formaciones perforadas) allamente con grandes cantidades de sal comun

La dificullad para controlar sus propiedades reologicas problema que acomparia a una mayor facilidad de dispersion en el lodo de los recortes de formacion situacion debida principalmente a la caida de la concentracion de sal por debajo del punto de saturacion 0 al aumento - por encima de los niveles maximos- de la presencia de los solidos de baja gravedad especifica asi el agua permanezca saturada de sal Aqui debe destacarse nueva mente la importancia de un control de recortes de formacion y de solid os en general Si estos se mantienen en concentraciones bajas en los lodos saturados con sal no habria problemas con sus propiedades reologicas Finalmente puede decirse que si a pesar de estar las concentraciones de solidos dentro de los limites apropiados un lodo saturado con sal alcanza fuerzas gel muy alias esta situacion puede remediarse con la adicion de lignosulfonatos y soda caustica pH de 105 Y lignosulfonatos en concentracion de 4 Ibmbbl corresponden a Iratamientos tipicos de adelgazamiento

Estos lodos se han utilizado con supersaturacion de sal para perforar exitosamente en areas donde la presencia de sales plasticas en las formaciones ha IIegado a colapsar las tuberias de revestimiento

46 Lodos cuya fase continua es aceite

Abarcan dos tipos principales de sistemas

1) lodos de aceite Mezclas de aceite diesel asfaltos oxidados acidos organicos y otros aditivos Su contenido de agua debe estar por debajo del 5 Tambien se pueden constituir con crudo previa mente desgasificado como fase continua

2) lodos de emulsion invertida (agua en aceite) En ellos las concentraciones de agua emulsificantes (usual mente acidos grasos y derivados de amina) jabones de alto peso molecular viscosificantes (generalmente benton ita) y otros aditivos varian para poder mantener la estabilidad electrica y las propiedades reologicas de un lodo con requerimientos especfficos La concentracion de agua en todo caso no debe superar el 50

En general estos lodos se han empleado con exito para muchas tareas en perforacion pozos profundos condiciones extremas de presion y temperatura problemas de pega de tube ria y de estabilidad del pozo necesidad de atravesar zonas que contienen sales yeso 0 anhidrita presencia de sulfuro de hidrogeno u otras sustancias corrosivas para brocas y tuberia hallazgo de formaciones potencialmente productoras y que pueden ser dafiadas por otros tipo de lodos gran necesidad de minimizar la friccion y los torques (caso de los pozos alta mente direccionales) etcetera Quizas sea su caracter contaminante la mayor restriccion para emplearlos y hoy dificilmente puede recomendarse un lodo de aceite Las emulsiones invertidas especialmente si su fase continua esta constituida por aceites minerales de baja toxicidad (muy baja viscosidad y practicamente sin compuestos aromaticos) aun se usan sobre todo por la

LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORAcON

periorabilidad (traducida en menos problemas tecnicos durante toda la perioraci6n En otras palabras men or tiempo total de perioracion y menores costos)

47 Lodos con materiales polimericos

Son aquellos base agua dulce 0 salada que tienen incorporados compuestos quimicos de cadena larga y peso molecular alto (polimeros naturales semisinteticos 0 sinteticos - ver el numeral 52-) compuestos que pueden contribuir (1) al control de perdidas de filtrado y de propiedades reologicas (2) a la estabilidad termica (3) a la resistencia ante contaminantes (4) ala proteccion de las zonas potencial mente productoras (5) a mantener la estabilidad de las formaciones atravesadas (6) a dar lubricidad a la sarta a reducir el torque al cual se ve sometida a prevenir sus pegas y a protegerla en ambientes corrosiv~s (7) a mejorar la periorabilidad (8) a mantener un ambiente limpio etcetera

Entre los materiales polimericos mas usados en las operaciones de perioracion estan el almidon las gomas de Guar Xanthan y de algarrobo la carboximetil-celulosa el lignito la celulosa poliani6nica los poliacrilatos el copolimero de vinil amidav inil sulfonato la poliacrilamida parcialmente hidrolizada los acidos poliaminados la metilshyglucosida

Estos lodos se han constituido desde finales de los arios 80 en una de las mejores alternativas ante los problemas ambientales causados por el uso de los lodos cuya fase continua es aceite

Las desventajas relativas mas prominentes de los lodos con materiales polimericos parecen ser el costo alto y su periorabilidad (en ella son superados por los lodos cuya fase continua es aceite y por aquellos cuya fase continua es material sintetico)

48 Lodos cuya fase continua es material sintetico (producido por sintesis quimica)

Segun definiciones de la EPA citadas por Churan Candler y Freeman 12 estos lodos presentan agua como fase dispersa en materiales producidos por la reaccion de ciertos compuestos purificados quimicamente AI provenir de estos compuestos purificados los materiales sinteticos estarfan Iibres de hidrocarburos aromaticos cosa que no ocurre con las fases continuas tradicionales -el gasoleo (aceite diesel) y los aceites minerales de baja toxicidad- derivadas de aceite crudo mediante procesos de separacion fisica yo reacciones quimicas

Esta nueva clase de lodos -se les denomina Iodos basados en seudoaceite13- posee la mayoria de propiedades de los lodos base aceite -recordemos que estos presentan estabilidad ante temperaturas altas inhibici6n ante shales u otras formaciones sensibles al agua dulce proteccion excelente de la sarta ante elementos corrosiv~s

perdidas de filtrado muy bajas resistencia a contaminantes tales como sales anhidrita y yeso ratas de perioracion altas lubricacion muy buena de la sarta etcetera- y con su uso se podrian disminuir los grandes problemas de contaminacion causados con los lodos cuya fase continua es aceite pero muchos de ellos presentan toxicidad acuatica (ver la seccion 5) Aun asi algunos autores recomiendan estos nuevos lodos como una alternativa al uso de lodos cuya fase continua es aceite

CLASIFICACIO SEGUN COMPO SIC ION DE LOS PRlNCIPALES LaDaS DE PERFORACION 65

IlVIPACTOAMBlliNTAL DE LOS PRINCIPALESLODOS DE PERFORACION

SECCION 5

5 IMPACTO AMBIENTAL DE LOS PRINCIPALES LODOS DE PERFORACI6N12-96

51 Lodos de perforacion y politicas ambientales en el mundo

Conjuntamente el API y la EPA estudiaron los desechos producidos en las operaciones de perforacion e identificaron en ellos arsenico benceno cloruro cadmio cromo+ 6

boro sodio bario penta-clorofenol y plomo los cuales puede n dafiar -algunos gravemente- la salud del hombre y someter a grandes riesgos el ambiente

De tales desechos -recortes de perforacion impregnados de lodo lodos gastados sobrantes de lodos aguas con lubricantes y otras sustancias (tales como las empleadas en limpieza del equipo de perforacion) residuos de las operaciones de cementacion etcetera- la componente mas abundante y toxica corresponde a los lodos de perforacion (sobrantes gastados recortes impregnados)

EI grado de toxicidad de los lodos de perforacion se mide comunmente con la prueba para supervivencia de camarones tipo Mysidopsis Bahia en la cual se determ ina el fndice LCse (concentracion en ppm de la fase de partfculas suspendidas que mata despues de estar expuestos a dicha fase al 50 de los camarones escog idos para la prueba) La Figura 12 ilustra el procedimiento de la prueba En esta se toma un volumen del lodo examinado y se mezcla con nueve volumenes de agua de mar la mezcla se agita durante cinco minutos luego se deja reposar durante una hora La fase Hquida (y cualesquiera partfculas suspendidas en ella) que se separe al finalizar el reposo es la Ilamada fase de partfculas suspendidas y es el toxico a probar EI t~xico es aislado del resto de la mezcla y luego se distribuye en var ios recipientes que contienen agua de mar con camarones de modo que en cada recipiente quede el toxico en una concentracion dada Noventa y seis horas despues se determina el LCso del lodo Entre menor sea el valor del LCso mayor sera la toxicidad del lodo (ver la Tabla 3) Segun Bleier (17 p1192) la EPA prohibe descargar en el Golfo de Mexico lodos y recortes que presenten un LCso menor de 30000 ppm Para Clark (18 p805) tal descarga (se exceptuan los lodos y recortes que contengan aceite completamente prohibidos) esta sujeta a multas

Veamos ahora datos principalmente a la luz de las regulaciones que imperan en el Golfo de Mejico y en el Mar del Norte sobre la toxicidad de los principales lodos de perforacion y de algunos de sus aditivos

TABLA 3 Grados de toxieidad

GRADO VAlORES lC so (ppm)

Praetieamente no taxieo gt10000

Ligeramente taxieo 1000 - 10000

Moderadamente taxieo 100 -1000

Taxieo 1 -100

Muy taxieo lt1

Referencia 16 p476

Conferencia presentada por el autor en el marco del Primer Encuentro Academico de Ingenieria de Petroleos celebrado en Medellin abril de 1999

IMPACTO AMBIENTALDE LOS PRlNClPALES LaDaS DE PERFORACl6N

U+ -7 Mezclar -7 Reposar-7 por5 poruna

minutos hora

i Una parte del

lodo de Perforacion

1 9 (VolumenNolumen)

Nueve partes de Agua Salada

Fase de particulas suspendidas

1 Diluciones Apropiadas

1 96 horas con camarones

Figura 12 Procedimiento para la prueba de supervivencia de camarones tipo Mysidopsis Bahia ( Modificado de la Referencia 17 p1193)

Toxicidad de lodos

Los lodos mas toxicos son los que presentan gasoleo (diesel) 0 petr61eo crudo como fase continua En los Estados Unidos de America esta hoy prohibido descargar en las aguas cualquier tipo de lodo que contenga aceite 0 recortes impregnados con tal lodo En el Mar del Norte y segun Brakel y colaboradores 19 se permitio hasta el primero de enero de 1997 descargar en el mar recortes que incluyeran maximo un 10 en peso de lodos con aceites minerales de baja toxicidad como fase continua Oespues de esa fecha el limite se baJo al 1

Muchos de los lodos cuya fase continua es material sintetico -sugeridos ultimamente como alternativa para disminuir los gran des efectos contaminantes de los lodos con aceite como fase continua- son toxicos (13 p728) Esta toxicidad se ha encontrado especialmente en la segunda generacion de dichos lodos (en tal generacion se usan olefina isomerizada parafina alfa-olefina y alquil-benceno lineales) en la cual tiene puestos hoy sus ojos la industria de exploracion ante los costos altisimos de la primera generacion (usa ester poli-alfa-olefina y eter entre otros compuestos sinteticos) reportada como no toxico (18 p807) No obstante esta ultima consideracion en 1994 no se permitia descargar en el Golfo de Mexico lodos de la primera generacion (Op cit)

70 LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACION

Los odos bajos en s6lidos tipo KClpolimeros que han tenido gran aplicaci6n por su habilidad para resolver la inestabilidad de los pozos por presencia de shales problematicos (situaci6n muy comun en perforaciones costa afuera) son hoy considerados -entre los lodos base agua- como uno de los mas contaminantes (LCso de 27000 ppm para un lodo constituido con 0737 bbl de agua de mar 050 Ibm de eelulosa poli-ani6nica de viscosidad baja 2 Ibm de almid6n 1 Ibm de goma Xanthan 50 Ibm de KCI 285 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidr6xido de potasio) Este

LCso hace prohibitivo el uso de estos lodos en las perforaciones costa afuera en los Estados Unidos aunque en otros lugares del mundo los emplean aun

Los odos dispersos tipo lignosulfonato (can 0 sin lignito) fueron de un uso vasto en operaciones de perforaci6n en tierra y costa afuera hasta mediados de los arias ochenta en los Estados Unidos Era comun que ellignosulfonato empleado contuviera de 2 a 4 en peso de cromo trivalente y algunas veces la estabilidad termica se mejoraba con sales de cromo hexavalente Los lignitos empleados tambien pod ian contener cromo Ademas de este elemento pesado los lodos con lignosulfonato solian ser lubricados con gas61eo (aceite diesel) y no obstante ellos y los recortes impregnados se arrojaban al mar AI final de los ochenta se habia reemplazado por otros lubricantes menos daninos al ambiente y aunque las pruebas de toxicidad no han indicado un efecto adverso para el ambiente por la presencia del cromo han sido realizadas investigaciones y pruebas numerosas para reducir el cromo en los lignosulfonatos yo reemplazarlo por otros cationes tambien han sido desarrollados varios dispersantes con el fin de sustituir todos los lignosulfonatos

Los odos no dispersos y los odos primarios se encuentran entre los menos t6xicos LC50 mayor de 1 000000 ppm para un lodo configurado con 13 Ibm de bentonita 0857 bbl de agua dulce 050 Ibm de ampliador del rendimiento de la bentonita 025 Ibm de poliacrilato de sodio y 191 Ibm de barita igual valor de LC para un lodo constituido so par 125 Ibm de bentonita 0477 bbl de agua de mar 0477 bbl de agua dulce 0 5 Ibm de cal apagada 50 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidr6xido de sodio

Con respecto a los odos con materiaes polimericos puede decirse que no son t6xicos mayor de 1 000000 para un lodo constituido con 025 Ibm de CMC 050 LC50 Ibm de celulosa poli-ani6nica de viscosidad normal 20 Ibm de bentonita 20 Ibm de barita pH de 95 (ajustado con hidr6xido de sodio) y sendas porciones (0483 bbl) de agua de mar y de agua dulce Actualmente se les puede considerar como una buena

de 516000 ppm para un lodo constituido con 15 Ibm de lignosulfonato de cramo 10 Ibm LCso de lignito 30 Ibm de atapulgita 0643 bbl de agua de mar 025 Ibm de celulosa poli-anionica de viscosidad normal 475 Ibm de barita y pH de 11 ajustado con hidr6xido de sodio LC deso 293000 ppm para un lodo formado con 15 Ibm de lignosulfonato de eramo 10 Ibm de lignito 15 Ibm de benton ita 0649 bbl de agua dulce 025 Ibm de CMC 1 Ibm de carbonato acido de sodio (NaHC03) 490 Ibm de barita y pH de 105 ajustado con hidroxido de sodio LC deso 654000 ppm para un lodo configurado por 5 Ibm de lignosulfonato de eramo 3 Ibm de lignito 20 Ibm de bentonita 0851 bbl de agua dulce 050 Ibm de CMC 1 Ibm de carbonato de sodio (Na2C0 3) 179 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidroxido de sodio LC de 163000 ppmso para un lodo constituido por 15 Ibm de lignosulfonato de cromo 8 Ibm de lignito 20 Ibm de bentonita 0737 bbl de agua dulce 5 Ibm de cal apagada 282 Ibm de barita y pH de 12 ajustado con hidr6xido de sodio

IMPACTOAMBIENTAL DE LOS PRlNClPALES LODOS DE PERFORACION 7l

72

alternativa para el uso de lodos con cloruro de potasio de lodos cuya fase continua es aceite y de los lodos con lignosulfonatos A los primeros los lodos con polimeros los han reemplazado en las operaciones de perforacion que involucran inestabilidad del pozo por la presencia de shales problematicos realizadas en el Golfo de Mexico con los segundos compiten en la gran mayo ria de caracteristicas tecnicas -excepto quiz8S en la perforabilidad- y con respecto a los ultimos operan a pH mas bajos cond ici 6n que parece reducir la desintegracion de recortes Ademas de reemplazar materia les y lodos altamente t6xicos los lodos con materiales polimericos -al disminuir la desintegracion de recortes y estabilizar el hoyo- rebajan el volumen de lodo y de re cortes que se tendran que procesar y descartar durante yo despues de la perforacion (ver el numeral 53) contribuyendo aun mas a mantener limpio nuestro ambiente

Finalmenie se puede decir que los lodos que hoy se proponen como una alternativa al uso de fluidos neumiWcos tienen efectos minimos sobre el ambiente segun 10 reportado por Medley y colaboradores (15 p1211) en una ponencia presentada en la Conferencia y Exhibicion Tecnica y Anual de la SPE

Toxicidad de aditivos

Debe resaltarse que los aditivos mas peligrosos que se han usado en lodos de perforacion -asbesto (para mejorar la capacidad de remocion de recortes) fenoles clorinados (Iubricantes) y sales de cromo hexavalente (estabilizador termico)- estan totalmente prohibidos hoy todos han sido reemplazados por otros aditivos que exhiben muy buen desemperio tecnico y que no contaminan Otros reactivos tales como el estearato de aluminio antiespumante muy utilizado y que requeria ser aplicado con gasoleo (aceite diesel) ha sido sustituido por adit ivos menos toxicos (derivados de alcoholes 0 esteres por ejemplo) En el area de densificantes la barita continua como uno de los mas utilizados pero han aumentado las exigencias sobre su calidad la usada en los lodos que quieran ser vertidos en el Golfo de Mejico no pueden contener mas de 1 mgkg de mercurio ni mas de 3 mgkg de cadmio

Muchos lubricantes que dariaban grandemente el ambiente (en su mayo ria derivados del petroleo) han sido reemplazados por derivados de gliceroles y de glicoles asi como por aceites vegetales y sus derivados entre otros compuestos no toxicos

Finalmente el paraformaldehido -corrientemente utilizado como bactericida para proteger aditivos polimericos naturales y que se descompone en formaldehido (toxico)shyha sido sustituido por glutaraldehido e isotiazolinas mucho menos toxicos La Tabla 4 muestra otros aditivos t6xicos y los sustitutos sugeridos

Medidas tomadas y su internacionalizacion

La preocupacion mundial por el impacto ambiental de las operaciones de exploraci6n y producci6n de hidrocarburos ha lIevado a celebrar reuniones y acuerdos internacionales para crear y aplicar de modo concertado normas para proteccion ambiental (ver las Referencias 21 y 22) Ante unas regulaciones ambientales cada vez mas presentes en las legislaciones nacionales regionales e internacionales y cada dia mas estrictas la industria petrolera en general y la de perforacion en particular se ha dedicado a buscar alternativas para disminuir el impacto ambiental de sus operaciones En el area de los lodos de perforacion dos han sido los caminos principales (1) Reduccion de toxicidad de los lodos y sus aditivos En este campo los materiales polimericos

LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACJON

juegan un papel estelar -ver el numeral 52- (2) Reduccion de los volumenes de desechos de lodos (ver el numeral 53) aqui tambien intervienen los materiales polimericos

52 Los materiales polimericos y su importancia en las operaciones de perforacion Lodos base agua y materiales polimericos contra lodos cuya fase continua es aceite

Los polimeros organicos y solubles en agua son los que han ten ido mas ap licacion en la industria del petroleo Estos polimeros son normalmente clasificados segun los monomeros constituyentes como homopoiimeros (sus monomeros son de igua l constitucion quimica) y copolimeros (con dos 0 mas tipos de monomeros) Segu n su origen pueden ser naturales -almidon goma de Guar (Cyanopsis Psoralioides ) goma de Xanthan goma de algarrobo- semisinteticos (carboximetil-celulosa derivados de almidon derivados de las gomas naturales) 0 sinteticos (copolimeros de acrilam ida por ejemplo )23

TABLA 4 Algunos aditivos tcixicos y sus sustitutos

ADITIVO TOXICO usa SUSTITUTO

Lignosulfonato 0 lignito de cromo Cromo Adelgazante a

Taninos 0 dicromato su Ifometilados Cromo Adelgazante a

Dicromato 0 cromato de sodio Cromo Control de corrosi6n b

Cromato de zinc Cromo Control de H2S c

Pentaclo rofenol Pentaclorofenol Bactericida d

ArSEmico Arsenico Bactericida d

Lubricante con plomo Lubricaci6n 0 sello para tuber ia Plomo de roscas e

Modificaci6n de la Referencia 20 p543

a Poliacrilato yo poliacrilamida

b Sulfitos fosfonatos y aminas

c Controlador de H2S sin cromo

d Isotiazolinas carbamatos y glutaraldehidos

e Lubricante para tuberias de revestimiento y de perforacicin sin plomo

Desde los anos 30 cuando se usaron en Estados Unidos las primeras cantidades significativas de polimeros organicos en lodos de perforacion 24 el interes por aplicaciones de dichos polimeros en la industria petrolifera crece dia a dia derivando en infinidad de estudios tal como se puede apreciar al haeer una revision no exhaustiva de las publicaeiones de la SPE durante los ultimos 25 anos se ha investigado

IMPACTOAMBIENTA L DE LOS PRJNClPALES LODOS DE PERFORACION 73

intensamente sobre el empleo de polimeros en perforacion2537 fracturamientu38-45 acidificacion46-47 control de produccion de agua48 prevencion de la produccion de

50arena 49- estabilizaci6n de arcillas (para evitar problemas tales como la migracion de finos) 30 5156 control de perdidas de circulacion en operaciones de completamiento y rea condicionamiento de pOZOS57 procesos de recuperacion mejorada58-7 beneficio de otros polfmeros72 construccion de barreras para desechos liquidos de la industria de gas y petroleo73

En el area de perforacion de pozos es especialmente valioso el aporte de los polimeros Se emplean como parte esencial de los fluidos utilizados en ella para mejoramiento de las propiedades reol6gicas y de filtracion impartidas a dichos fluidos por viscosificantes-reductores de filtrado minerales tales como bentonita sub-benton ita y atapulgita actualmente se utilizan con tal proposito almidones procesados gran cantidad de polimeros de cadena larga y mezclas de ellos Aun mas Gray y Darley (24 p54) entre otros autores74 76 comentan y proponen el reemplazo de los viscosificantesshyreductores de filtrado minerales por polimeros y otros investigadores reportan el uso exit9so de sistemas de lodos de perforacion con tal caracterfstica Steiger (30 p 1665) confirma como ventajas de un sistema de fluidos de perforacion sin viscosificantesshyreductores de filtrado minerales (compuesto por agua dulce polimero XC almidon de mafz paraformaldehido celulosa polianionica cloruro e hidroxido de potasio) con respecto a los que sf los contienen una mayor predecibilidad en las propiedades reologicas y de gelatinosidad menores perdidas de filtrado costra mas delgada y firme Con costos moderados este autor logro formular el sistema anterior y con el hizo minimos los problemas relacionados con la perforacion de formaciones inestables Segun Steiger mas de cien pozos en el mundo se han perforado exitosamente con el sistema sin viscosificantes-reductores de filtrado minerales Por su lado Browning y Chesser (25 p1256) estudian otro sistema de lodo de perforacion sin dichos compuestos (conformado basicamente con polimeros organicos) y como ventajas Ie encuentran el efecto adverso minima sobre las formaciones expuestas durante la perforacion de pozos la comunicacion de mayor potencia a la broca la posibilidad de emplear velocidades anulares muy bajas y una limpieza mas eficiente del hoyo entre otras Reportan el empleo exitoso de este sistema en perforaciones de mas de 14000 pies -unos 4267m- de profundidad (en el Condado de Reeves Texas USA) con estabilidad en las propiedades de flujo durante una semana de uso

Entre los polimeros semisinteticos utilizados en el area de perforacion sobresale la CMC por su uso extendido -solo comparable con el del almidon- su versatilidad la abundacia en la naturaleza de la celulosa (material del que se obtiene) y su bajo costa con respecto a otros poifmeros empleados en la industria del petroleo segun Chatterji y Borchardt (23 p2045) solo los precios de las gomas de Guar estan por debajo del correspondiente a la CMC En fluidos de perforacion se utiliza principal mente para suspensi6n de materiales densificantes y como reductor de filtrado en operaciones de empaquetamiento con grava y sellamiento de zonas Iadronas tambien es bastante utilizada (23 p2049) Este polimero es producido por la Industria Nacional de Colombia en tres grados77 (correspondientes a las unidades glucosfdicas presentes en el producto) Grado 1 (viscosidad alta) Grado 2 (viscosidad media) y Grado 3 (viscosidad baja) De estas diferentes calidades se derivarian efectos fundamentales sobre los fluidos en los cuales se emplee la CMC

7- LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACOt

62

44 Lodos bajos en s6lidos

Son aquellos cuya cantidad y tipo de s61idos son estrictamente controlados pues de no hacerlo las propiedades fundamentales de estos lodos -y por ende las funciones especfficas que deben cumplir- pueden verse r13pida y seriamente afectadas Estos lodos no deben presentar porcentajes (en volumen) de s61idos totales por encima de 10 la relaci6n de s61idos perforados a benton ita debe ser menor que 2 1 y la cantidad de s61idos arcillosos tambien debe ser controlada

La principal ventaja de estos sistemas es que mejoran significativamente la rata de perforacion en las formaciones para las cuales son recomendados

Lodos con cloruro de potasio y polimeros

Los primeros esfuerzos para usar cloruro de potasio en lodos como inhibidor de reacci6n ante shales resultaron ser un fracaso ya que no habia aditivos para perdida de filtrado y viscosificadores que funcionaran bien en un medio potasico En arios recientes han aparecido productos nuevos que hacen practico el uso de lodos con cloruro de potasio en muchas areas de dificil perforaci6n La concentraci6n de cloruro de potasio usada depende del tipo de formaci6n a perforar los lodos con concentraciones bajas (5 a 7 en peso del aguautilizada para preparar ellodo) se usan en formaciones de shales firmes 0 de shales inestables que contengan muy poca esmectita y en arenas potencialmente ricas en hidrocarburos y que puedan sufrir danos en su permeabilidad al ponerse en contacto con agua dulce Los lodos con concentraciones altas (10 a 20 en peso del agua) se utilizan para perforar shales tipo gumbo -que se hacen pegajosos y pierden su porosidad al ponerse en contacto con agua dulce- para arcillolitas y lodolitas que sean dispersadas facilmente por lodos base agua dulce y para perforar shales ricos en esmectita estas ultimas formaciones se desmoronan por contacto con el agua dulce

La composici6n basica de estos lodos middotes por 10 general una combinaci6n de varios de los siguientes materiales agua dulce 0 agua de mar cloruro de potasio un polimero para inhibici6n (generalmente proliacrilamida) un polimero generador de viscosidad (con frecuencia del tipo XC) benton ita prehidratada almid6n estabilizado 0 CMC potasa caustica 0 soda caustica y otros aditivos tales como lubricantes Los siguientes son algunos factores importantes a considerar cuando se contempla el uso de lodos con cloruro de potasio

En general presentan baja tolerancia a los s61idos y por consiguiente tienen que ser altamente procesados (control l1lecanico de s6lidos por ejemplo) 0

ser diluidos y descartados cuando se usan para perforar shales problematicos Estas exigencias hacen de este lodo uno de los mas onerosos

Por la presencia necesaria de polimeros para controlar las perdidas de filtrado la estabilidad termica de estos lodos limita su uso a 250degF como maximo

Estos lodos exhiben un comportamiento plastico de Bingham con puntos de cedencia altos y buenas viscosidades a ratas de cizalladura bajas su capacidad de limpieza del pozo es grande Sus buenas propiedades reol6gicas facilitan su tratamiento en zarandas mecanicas para shales 0 en desarenadores y deslimadores tipo ciclon

LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACION

Las observaciones visuales en laboratorio que usan una celda de alta temperatura yalta presion indican que el lodo con cloruro de potasio es el lodo de base agua mas efectivo para estabilizar shalesraquo problematicos

EI uso de CMC para controlar la perdida de filtrado produce una disminucion del punto de cedencia real y de las fuerzas gel Consecuentemente la viscosidad dellodo a rata de cizalladura baja (Ia que se presenta en el anular) sera mas baja y reducira la capacidad de limpieza del hoyo

Cuando se perforan shales con capacidad de intercambio cationico alta (como la presentada por la mayorfa de shales tipo gumbo) el consumo de cloruro de potasio es muy elevado Desafortunadamente la velocidad de consumo tambien es alta y por ende es probable que sea diffcil mantener la concentracion deseada del i6n de potasio (responsable de la estabilizacion de las formaciones perforadas) Si el valor de la concentracion cae demasiado bajo se reduce la efectividad del lodo para estabilizar los shales Algunos ensayos sin exito con este lodo se pueden atribuir casi exclusivamente a la incapacidad de agregar con velocidad suficiente c1oruro de potasio Por consiguiente es muy importante elaborar un plan que tenga en cuenta esta situaci6n cuando se vaya a usar lodo con cloruro de potasio

45 Lodos saturados con sal

Este es el nombre comun para un lodo de perforaci6n en el que la fase de agua esta saturada (minimo 189000 ppm) con cloruro de sodio En general se usan estos lodos donde hay que perforar secciones con sal 0 domos de sal 0 shales problematicos u otro tipo de formaciones que se afecten por la presencia de agua dulce

La composicion basica de estos lodos es agua dulce agua de mar 0 salmuera sa comun bentonita (por 10 general prehidratada) 0 atapulgita mas CMC 0 almid6n Otros materiales opcionales son soda caustica lignosulfonato cal apagada lubricantes

Los siguientes son factores que se deben considerar cuando se piense en el uso de lodos saturados con sa

Aunque ellodo saturado con sal tiene alta capacidad de tolerancia a los solidos se hace casi inmanejable cuando se permite que el contenido de solidos de gravedad especffica baja se vuelva alto Por supuesto el significado de alto depende de la densidad dellodo - entre mas alta sea mas baja la cantidad de s61idos de baja gravedad que pueden ser tolerados - Asf para que un lodo saturado con sal y de densidad 11 1 Ibmgal cum pia bien sus funciones debe presentar -como maximo- 9 en volumen (aproximadamente 75Ibmbbl) de solidos de baja gravedad especifica

La estabilidad termica dellodo esta basicamente limitada por la temperatura de degradaci6n de su componente menos estable

Despues de los lodos base aceite y de los preparados con cloruro de potasio (sin contar los preparados con materiales polimericos) los saturados con sal son de los mejores para perforar shales problematicos No obstante muchas veces se opta por no usar los lodos saturados con sal por dos razones

CLASIFICACIO SEGUN COMPOSICION DE LOS PRINCIPALES LODOS DE PERFORACION 63

64

Requleren cantidades mayores -con respecto a los otros lodos- de mat~riales para controlar sus perdidas de filtrado Ello se debe a que son sistemas inhibidos (presentan aditivos que impiden 0 limitan su reaccion con las formaciones perforadas) allamente con grandes cantidades de sal comun

La dificullad para controlar sus propiedades reologicas problema que acomparia a una mayor facilidad de dispersion en el lodo de los recortes de formacion situacion debida principalmente a la caida de la concentracion de sal por debajo del punto de saturacion 0 al aumento - por encima de los niveles maximos- de la presencia de los solidos de baja gravedad especifica asi el agua permanezca saturada de sal Aqui debe destacarse nueva mente la importancia de un control de recortes de formacion y de solid os en general Si estos se mantienen en concentraciones bajas en los lodos saturados con sal no habria problemas con sus propiedades reologicas Finalmente puede decirse que si a pesar de estar las concentraciones de solidos dentro de los limites apropiados un lodo saturado con sal alcanza fuerzas gel muy alias esta situacion puede remediarse con la adicion de lignosulfonatos y soda caustica pH de 105 Y lignosulfonatos en concentracion de 4 Ibmbbl corresponden a Iratamientos tipicos de adelgazamiento

Estos lodos se han utilizado con supersaturacion de sal para perforar exitosamente en areas donde la presencia de sales plasticas en las formaciones ha IIegado a colapsar las tuberias de revestimiento

46 Lodos cuya fase continua es aceite

Abarcan dos tipos principales de sistemas

1) lodos de aceite Mezclas de aceite diesel asfaltos oxidados acidos organicos y otros aditivos Su contenido de agua debe estar por debajo del 5 Tambien se pueden constituir con crudo previa mente desgasificado como fase continua

2) lodos de emulsion invertida (agua en aceite) En ellos las concentraciones de agua emulsificantes (usual mente acidos grasos y derivados de amina) jabones de alto peso molecular viscosificantes (generalmente benton ita) y otros aditivos varian para poder mantener la estabilidad electrica y las propiedades reologicas de un lodo con requerimientos especfficos La concentracion de agua en todo caso no debe superar el 50

En general estos lodos se han empleado con exito para muchas tareas en perforacion pozos profundos condiciones extremas de presion y temperatura problemas de pega de tube ria y de estabilidad del pozo necesidad de atravesar zonas que contienen sales yeso 0 anhidrita presencia de sulfuro de hidrogeno u otras sustancias corrosivas para brocas y tuberia hallazgo de formaciones potencialmente productoras y que pueden ser dafiadas por otros tipo de lodos gran necesidad de minimizar la friccion y los torques (caso de los pozos alta mente direccionales) etcetera Quizas sea su caracter contaminante la mayor restriccion para emplearlos y hoy dificilmente puede recomendarse un lodo de aceite Las emulsiones invertidas especialmente si su fase continua esta constituida por aceites minerales de baja toxicidad (muy baja viscosidad y practicamente sin compuestos aromaticos) aun se usan sobre todo por la

LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORAcON

periorabilidad (traducida en menos problemas tecnicos durante toda la perioraci6n En otras palabras men or tiempo total de perioracion y menores costos)

47 Lodos con materiales polimericos

Son aquellos base agua dulce 0 salada que tienen incorporados compuestos quimicos de cadena larga y peso molecular alto (polimeros naturales semisinteticos 0 sinteticos - ver el numeral 52-) compuestos que pueden contribuir (1) al control de perdidas de filtrado y de propiedades reologicas (2) a la estabilidad termica (3) a la resistencia ante contaminantes (4) ala proteccion de las zonas potencial mente productoras (5) a mantener la estabilidad de las formaciones atravesadas (6) a dar lubricidad a la sarta a reducir el torque al cual se ve sometida a prevenir sus pegas y a protegerla en ambientes corrosiv~s (7) a mejorar la periorabilidad (8) a mantener un ambiente limpio etcetera

Entre los materiales polimericos mas usados en las operaciones de perioracion estan el almidon las gomas de Guar Xanthan y de algarrobo la carboximetil-celulosa el lignito la celulosa poliani6nica los poliacrilatos el copolimero de vinil amidav inil sulfonato la poliacrilamida parcialmente hidrolizada los acidos poliaminados la metilshyglucosida

Estos lodos se han constituido desde finales de los arios 80 en una de las mejores alternativas ante los problemas ambientales causados por el uso de los lodos cuya fase continua es aceite

Las desventajas relativas mas prominentes de los lodos con materiales polimericos parecen ser el costo alto y su periorabilidad (en ella son superados por los lodos cuya fase continua es aceite y por aquellos cuya fase continua es material sintetico)

48 Lodos cuya fase continua es material sintetico (producido por sintesis quimica)

Segun definiciones de la EPA citadas por Churan Candler y Freeman 12 estos lodos presentan agua como fase dispersa en materiales producidos por la reaccion de ciertos compuestos purificados quimicamente AI provenir de estos compuestos purificados los materiales sinteticos estarfan Iibres de hidrocarburos aromaticos cosa que no ocurre con las fases continuas tradicionales -el gasoleo (aceite diesel) y los aceites minerales de baja toxicidad- derivadas de aceite crudo mediante procesos de separacion fisica yo reacciones quimicas

Esta nueva clase de lodos -se les denomina Iodos basados en seudoaceite13- posee la mayoria de propiedades de los lodos base aceite -recordemos que estos presentan estabilidad ante temperaturas altas inhibici6n ante shales u otras formaciones sensibles al agua dulce proteccion excelente de la sarta ante elementos corrosiv~s

perdidas de filtrado muy bajas resistencia a contaminantes tales como sales anhidrita y yeso ratas de perioracion altas lubricacion muy buena de la sarta etcetera- y con su uso se podrian disminuir los grandes problemas de contaminacion causados con los lodos cuya fase continua es aceite pero muchos de ellos presentan toxicidad acuatica (ver la seccion 5) Aun asi algunos autores recomiendan estos nuevos lodos como una alternativa al uso de lodos cuya fase continua es aceite

CLASIFICACIO SEGUN COMPO SIC ION DE LOS PRlNCIPALES LaDaS DE PERFORACION 65

IlVIPACTOAMBlliNTAL DE LOS PRINCIPALESLODOS DE PERFORACION

SECCION 5

5 IMPACTO AMBIENTAL DE LOS PRINCIPALES LODOS DE PERFORACI6N12-96

51 Lodos de perforacion y politicas ambientales en el mundo

Conjuntamente el API y la EPA estudiaron los desechos producidos en las operaciones de perforacion e identificaron en ellos arsenico benceno cloruro cadmio cromo+ 6

boro sodio bario penta-clorofenol y plomo los cuales puede n dafiar -algunos gravemente- la salud del hombre y someter a grandes riesgos el ambiente

De tales desechos -recortes de perforacion impregnados de lodo lodos gastados sobrantes de lodos aguas con lubricantes y otras sustancias (tales como las empleadas en limpieza del equipo de perforacion) residuos de las operaciones de cementacion etcetera- la componente mas abundante y toxica corresponde a los lodos de perforacion (sobrantes gastados recortes impregnados)

EI grado de toxicidad de los lodos de perforacion se mide comunmente con la prueba para supervivencia de camarones tipo Mysidopsis Bahia en la cual se determ ina el fndice LCse (concentracion en ppm de la fase de partfculas suspendidas que mata despues de estar expuestos a dicha fase al 50 de los camarones escog idos para la prueba) La Figura 12 ilustra el procedimiento de la prueba En esta se toma un volumen del lodo examinado y se mezcla con nueve volumenes de agua de mar la mezcla se agita durante cinco minutos luego se deja reposar durante una hora La fase Hquida (y cualesquiera partfculas suspendidas en ella) que se separe al finalizar el reposo es la Ilamada fase de partfculas suspendidas y es el toxico a probar EI t~xico es aislado del resto de la mezcla y luego se distribuye en var ios recipientes que contienen agua de mar con camarones de modo que en cada recipiente quede el toxico en una concentracion dada Noventa y seis horas despues se determina el LCso del lodo Entre menor sea el valor del LCso mayor sera la toxicidad del lodo (ver la Tabla 3) Segun Bleier (17 p1192) la EPA prohibe descargar en el Golfo de Mexico lodos y recortes que presenten un LCso menor de 30000 ppm Para Clark (18 p805) tal descarga (se exceptuan los lodos y recortes que contengan aceite completamente prohibidos) esta sujeta a multas

Veamos ahora datos principalmente a la luz de las regulaciones que imperan en el Golfo de Mejico y en el Mar del Norte sobre la toxicidad de los principales lodos de perforacion y de algunos de sus aditivos

TABLA 3 Grados de toxieidad

GRADO VAlORES lC so (ppm)

Praetieamente no taxieo gt10000

Ligeramente taxieo 1000 - 10000

Moderadamente taxieo 100 -1000

Taxieo 1 -100

Muy taxieo lt1

Referencia 16 p476

Conferencia presentada por el autor en el marco del Primer Encuentro Academico de Ingenieria de Petroleos celebrado en Medellin abril de 1999

IMPACTO AMBIENTALDE LOS PRlNClPALES LaDaS DE PERFORACl6N

U+ -7 Mezclar -7 Reposar-7 por5 poruna

minutos hora

i Una parte del

lodo de Perforacion

1 9 (VolumenNolumen)

Nueve partes de Agua Salada

Fase de particulas suspendidas

1 Diluciones Apropiadas

1 96 horas con camarones

Figura 12 Procedimiento para la prueba de supervivencia de camarones tipo Mysidopsis Bahia ( Modificado de la Referencia 17 p1193)

Toxicidad de lodos

Los lodos mas toxicos son los que presentan gasoleo (diesel) 0 petr61eo crudo como fase continua En los Estados Unidos de America esta hoy prohibido descargar en las aguas cualquier tipo de lodo que contenga aceite 0 recortes impregnados con tal lodo En el Mar del Norte y segun Brakel y colaboradores 19 se permitio hasta el primero de enero de 1997 descargar en el mar recortes que incluyeran maximo un 10 en peso de lodos con aceites minerales de baja toxicidad como fase continua Oespues de esa fecha el limite se baJo al 1

Muchos de los lodos cuya fase continua es material sintetico -sugeridos ultimamente como alternativa para disminuir los gran des efectos contaminantes de los lodos con aceite como fase continua- son toxicos (13 p728) Esta toxicidad se ha encontrado especialmente en la segunda generacion de dichos lodos (en tal generacion se usan olefina isomerizada parafina alfa-olefina y alquil-benceno lineales) en la cual tiene puestos hoy sus ojos la industria de exploracion ante los costos altisimos de la primera generacion (usa ester poli-alfa-olefina y eter entre otros compuestos sinteticos) reportada como no toxico (18 p807) No obstante esta ultima consideracion en 1994 no se permitia descargar en el Golfo de Mexico lodos de la primera generacion (Op cit)

70 LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACION

Los odos bajos en s6lidos tipo KClpolimeros que han tenido gran aplicaci6n por su habilidad para resolver la inestabilidad de los pozos por presencia de shales problematicos (situaci6n muy comun en perforaciones costa afuera) son hoy considerados -entre los lodos base agua- como uno de los mas contaminantes (LCso de 27000 ppm para un lodo constituido con 0737 bbl de agua de mar 050 Ibm de eelulosa poli-ani6nica de viscosidad baja 2 Ibm de almid6n 1 Ibm de goma Xanthan 50 Ibm de KCI 285 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidr6xido de potasio) Este

LCso hace prohibitivo el uso de estos lodos en las perforaciones costa afuera en los Estados Unidos aunque en otros lugares del mundo los emplean aun

Los odos dispersos tipo lignosulfonato (can 0 sin lignito) fueron de un uso vasto en operaciones de perforaci6n en tierra y costa afuera hasta mediados de los arias ochenta en los Estados Unidos Era comun que ellignosulfonato empleado contuviera de 2 a 4 en peso de cromo trivalente y algunas veces la estabilidad termica se mejoraba con sales de cromo hexavalente Los lignitos empleados tambien pod ian contener cromo Ademas de este elemento pesado los lodos con lignosulfonato solian ser lubricados con gas61eo (aceite diesel) y no obstante ellos y los recortes impregnados se arrojaban al mar AI final de los ochenta se habia reemplazado por otros lubricantes menos daninos al ambiente y aunque las pruebas de toxicidad no han indicado un efecto adverso para el ambiente por la presencia del cromo han sido realizadas investigaciones y pruebas numerosas para reducir el cromo en los lignosulfonatos yo reemplazarlo por otros cationes tambien han sido desarrollados varios dispersantes con el fin de sustituir todos los lignosulfonatos

Los odos no dispersos y los odos primarios se encuentran entre los menos t6xicos LC50 mayor de 1 000000 ppm para un lodo configurado con 13 Ibm de bentonita 0857 bbl de agua dulce 050 Ibm de ampliador del rendimiento de la bentonita 025 Ibm de poliacrilato de sodio y 191 Ibm de barita igual valor de LC para un lodo constituido so par 125 Ibm de bentonita 0477 bbl de agua de mar 0477 bbl de agua dulce 0 5 Ibm de cal apagada 50 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidr6xido de sodio

Con respecto a los odos con materiaes polimericos puede decirse que no son t6xicos mayor de 1 000000 para un lodo constituido con 025 Ibm de CMC 050 LC50 Ibm de celulosa poli-ani6nica de viscosidad normal 20 Ibm de bentonita 20 Ibm de barita pH de 95 (ajustado con hidr6xido de sodio) y sendas porciones (0483 bbl) de agua de mar y de agua dulce Actualmente se les puede considerar como una buena

de 516000 ppm para un lodo constituido con 15 Ibm de lignosulfonato de cramo 10 Ibm LCso de lignito 30 Ibm de atapulgita 0643 bbl de agua de mar 025 Ibm de celulosa poli-anionica de viscosidad normal 475 Ibm de barita y pH de 11 ajustado con hidr6xido de sodio LC deso 293000 ppm para un lodo formado con 15 Ibm de lignosulfonato de eramo 10 Ibm de lignito 15 Ibm de benton ita 0649 bbl de agua dulce 025 Ibm de CMC 1 Ibm de carbonato acido de sodio (NaHC03) 490 Ibm de barita y pH de 105 ajustado con hidroxido de sodio LC deso 654000 ppm para un lodo configurado por 5 Ibm de lignosulfonato de eramo 3 Ibm de lignito 20 Ibm de bentonita 0851 bbl de agua dulce 050 Ibm de CMC 1 Ibm de carbonato de sodio (Na2C0 3) 179 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidroxido de sodio LC de 163000 ppmso para un lodo constituido por 15 Ibm de lignosulfonato de cromo 8 Ibm de lignito 20 Ibm de bentonita 0737 bbl de agua dulce 5 Ibm de cal apagada 282 Ibm de barita y pH de 12 ajustado con hidr6xido de sodio

IMPACTOAMBIENTAL DE LOS PRlNClPALES LODOS DE PERFORACION 7l

72

alternativa para el uso de lodos con cloruro de potasio de lodos cuya fase continua es aceite y de los lodos con lignosulfonatos A los primeros los lodos con polimeros los han reemplazado en las operaciones de perforacion que involucran inestabilidad del pozo por la presencia de shales problematicos realizadas en el Golfo de Mexico con los segundos compiten en la gran mayo ria de caracteristicas tecnicas -excepto quiz8S en la perforabilidad- y con respecto a los ultimos operan a pH mas bajos cond ici 6n que parece reducir la desintegracion de recortes Ademas de reemplazar materia les y lodos altamente t6xicos los lodos con materiales polimericos -al disminuir la desintegracion de recortes y estabilizar el hoyo- rebajan el volumen de lodo y de re cortes que se tendran que procesar y descartar durante yo despues de la perforacion (ver el numeral 53) contribuyendo aun mas a mantener limpio nuestro ambiente

Finalmenie se puede decir que los lodos que hoy se proponen como una alternativa al uso de fluidos neumiWcos tienen efectos minimos sobre el ambiente segun 10 reportado por Medley y colaboradores (15 p1211) en una ponencia presentada en la Conferencia y Exhibicion Tecnica y Anual de la SPE

Toxicidad de aditivos

Debe resaltarse que los aditivos mas peligrosos que se han usado en lodos de perforacion -asbesto (para mejorar la capacidad de remocion de recortes) fenoles clorinados (Iubricantes) y sales de cromo hexavalente (estabilizador termico)- estan totalmente prohibidos hoy todos han sido reemplazados por otros aditivos que exhiben muy buen desemperio tecnico y que no contaminan Otros reactivos tales como el estearato de aluminio antiespumante muy utilizado y que requeria ser aplicado con gasoleo (aceite diesel) ha sido sustituido por adit ivos menos toxicos (derivados de alcoholes 0 esteres por ejemplo) En el area de densificantes la barita continua como uno de los mas utilizados pero han aumentado las exigencias sobre su calidad la usada en los lodos que quieran ser vertidos en el Golfo de Mejico no pueden contener mas de 1 mgkg de mercurio ni mas de 3 mgkg de cadmio

Muchos lubricantes que dariaban grandemente el ambiente (en su mayo ria derivados del petroleo) han sido reemplazados por derivados de gliceroles y de glicoles asi como por aceites vegetales y sus derivados entre otros compuestos no toxicos

Finalmente el paraformaldehido -corrientemente utilizado como bactericida para proteger aditivos polimericos naturales y que se descompone en formaldehido (toxico)shyha sido sustituido por glutaraldehido e isotiazolinas mucho menos toxicos La Tabla 4 muestra otros aditivos t6xicos y los sustitutos sugeridos

Medidas tomadas y su internacionalizacion

La preocupacion mundial por el impacto ambiental de las operaciones de exploraci6n y producci6n de hidrocarburos ha lIevado a celebrar reuniones y acuerdos internacionales para crear y aplicar de modo concertado normas para proteccion ambiental (ver las Referencias 21 y 22) Ante unas regulaciones ambientales cada vez mas presentes en las legislaciones nacionales regionales e internacionales y cada dia mas estrictas la industria petrolera en general y la de perforacion en particular se ha dedicado a buscar alternativas para disminuir el impacto ambiental de sus operaciones En el area de los lodos de perforacion dos han sido los caminos principales (1) Reduccion de toxicidad de los lodos y sus aditivos En este campo los materiales polimericos

LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACJON

juegan un papel estelar -ver el numeral 52- (2) Reduccion de los volumenes de desechos de lodos (ver el numeral 53) aqui tambien intervienen los materiales polimericos

52 Los materiales polimericos y su importancia en las operaciones de perforacion Lodos base agua y materiales polimericos contra lodos cuya fase continua es aceite

Los polimeros organicos y solubles en agua son los que han ten ido mas ap licacion en la industria del petroleo Estos polimeros son normalmente clasificados segun los monomeros constituyentes como homopoiimeros (sus monomeros son de igua l constitucion quimica) y copolimeros (con dos 0 mas tipos de monomeros) Segu n su origen pueden ser naturales -almidon goma de Guar (Cyanopsis Psoralioides ) goma de Xanthan goma de algarrobo- semisinteticos (carboximetil-celulosa derivados de almidon derivados de las gomas naturales) 0 sinteticos (copolimeros de acrilam ida por ejemplo )23

TABLA 4 Algunos aditivos tcixicos y sus sustitutos

ADITIVO TOXICO usa SUSTITUTO

Lignosulfonato 0 lignito de cromo Cromo Adelgazante a

Taninos 0 dicromato su Ifometilados Cromo Adelgazante a

Dicromato 0 cromato de sodio Cromo Control de corrosi6n b

Cromato de zinc Cromo Control de H2S c

Pentaclo rofenol Pentaclorofenol Bactericida d

ArSEmico Arsenico Bactericida d

Lubricante con plomo Lubricaci6n 0 sello para tuber ia Plomo de roscas e

Modificaci6n de la Referencia 20 p543

a Poliacrilato yo poliacrilamida

b Sulfitos fosfonatos y aminas

c Controlador de H2S sin cromo

d Isotiazolinas carbamatos y glutaraldehidos

e Lubricante para tuberias de revestimiento y de perforacicin sin plomo

Desde los anos 30 cuando se usaron en Estados Unidos las primeras cantidades significativas de polimeros organicos en lodos de perforacion 24 el interes por aplicaciones de dichos polimeros en la industria petrolifera crece dia a dia derivando en infinidad de estudios tal como se puede apreciar al haeer una revision no exhaustiva de las publicaeiones de la SPE durante los ultimos 25 anos se ha investigado

IMPACTOAMBIENTA L DE LOS PRJNClPALES LODOS DE PERFORACION 73

intensamente sobre el empleo de polimeros en perforacion2537 fracturamientu38-45 acidificacion46-47 control de produccion de agua48 prevencion de la produccion de

50arena 49- estabilizaci6n de arcillas (para evitar problemas tales como la migracion de finos) 30 5156 control de perdidas de circulacion en operaciones de completamiento y rea condicionamiento de pOZOS57 procesos de recuperacion mejorada58-7 beneficio de otros polfmeros72 construccion de barreras para desechos liquidos de la industria de gas y petroleo73

En el area de perforacion de pozos es especialmente valioso el aporte de los polimeros Se emplean como parte esencial de los fluidos utilizados en ella para mejoramiento de las propiedades reol6gicas y de filtracion impartidas a dichos fluidos por viscosificantes-reductores de filtrado minerales tales como bentonita sub-benton ita y atapulgita actualmente se utilizan con tal proposito almidones procesados gran cantidad de polimeros de cadena larga y mezclas de ellos Aun mas Gray y Darley (24 p54) entre otros autores74 76 comentan y proponen el reemplazo de los viscosificantesshyreductores de filtrado minerales por polimeros y otros investigadores reportan el uso exit9so de sistemas de lodos de perforacion con tal caracterfstica Steiger (30 p 1665) confirma como ventajas de un sistema de fluidos de perforacion sin viscosificantesshyreductores de filtrado minerales (compuesto por agua dulce polimero XC almidon de mafz paraformaldehido celulosa polianionica cloruro e hidroxido de potasio) con respecto a los que sf los contienen una mayor predecibilidad en las propiedades reologicas y de gelatinosidad menores perdidas de filtrado costra mas delgada y firme Con costos moderados este autor logro formular el sistema anterior y con el hizo minimos los problemas relacionados con la perforacion de formaciones inestables Segun Steiger mas de cien pozos en el mundo se han perforado exitosamente con el sistema sin viscosificantes-reductores de filtrado minerales Por su lado Browning y Chesser (25 p1256) estudian otro sistema de lodo de perforacion sin dichos compuestos (conformado basicamente con polimeros organicos) y como ventajas Ie encuentran el efecto adverso minima sobre las formaciones expuestas durante la perforacion de pozos la comunicacion de mayor potencia a la broca la posibilidad de emplear velocidades anulares muy bajas y una limpieza mas eficiente del hoyo entre otras Reportan el empleo exitoso de este sistema en perforaciones de mas de 14000 pies -unos 4267m- de profundidad (en el Condado de Reeves Texas USA) con estabilidad en las propiedades de flujo durante una semana de uso

Entre los polimeros semisinteticos utilizados en el area de perforacion sobresale la CMC por su uso extendido -solo comparable con el del almidon- su versatilidad la abundacia en la naturaleza de la celulosa (material del que se obtiene) y su bajo costa con respecto a otros poifmeros empleados en la industria del petroleo segun Chatterji y Borchardt (23 p2045) solo los precios de las gomas de Guar estan por debajo del correspondiente a la CMC En fluidos de perforacion se utiliza principal mente para suspensi6n de materiales densificantes y como reductor de filtrado en operaciones de empaquetamiento con grava y sellamiento de zonas Iadronas tambien es bastante utilizada (23 p2049) Este polimero es producido por la Industria Nacional de Colombia en tres grados77 (correspondientes a las unidades glucosfdicas presentes en el producto) Grado 1 (viscosidad alta) Grado 2 (viscosidad media) y Grado 3 (viscosidad baja) De estas diferentes calidades se derivarian efectos fundamentales sobre los fluidos en los cuales se emplee la CMC

7- LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACOt

Las observaciones visuales en laboratorio que usan una celda de alta temperatura yalta presion indican que el lodo con cloruro de potasio es el lodo de base agua mas efectivo para estabilizar shalesraquo problematicos

EI uso de CMC para controlar la perdida de filtrado produce una disminucion del punto de cedencia real y de las fuerzas gel Consecuentemente la viscosidad dellodo a rata de cizalladura baja (Ia que se presenta en el anular) sera mas baja y reducira la capacidad de limpieza del hoyo

Cuando se perforan shales con capacidad de intercambio cationico alta (como la presentada por la mayorfa de shales tipo gumbo) el consumo de cloruro de potasio es muy elevado Desafortunadamente la velocidad de consumo tambien es alta y por ende es probable que sea diffcil mantener la concentracion deseada del i6n de potasio (responsable de la estabilizacion de las formaciones perforadas) Si el valor de la concentracion cae demasiado bajo se reduce la efectividad del lodo para estabilizar los shales Algunos ensayos sin exito con este lodo se pueden atribuir casi exclusivamente a la incapacidad de agregar con velocidad suficiente c1oruro de potasio Por consiguiente es muy importante elaborar un plan que tenga en cuenta esta situaci6n cuando se vaya a usar lodo con cloruro de potasio

45 Lodos saturados con sal

Este es el nombre comun para un lodo de perforaci6n en el que la fase de agua esta saturada (minimo 189000 ppm) con cloruro de sodio En general se usan estos lodos donde hay que perforar secciones con sal 0 domos de sal 0 shales problematicos u otro tipo de formaciones que se afecten por la presencia de agua dulce

La composicion basica de estos lodos es agua dulce agua de mar 0 salmuera sa comun bentonita (por 10 general prehidratada) 0 atapulgita mas CMC 0 almid6n Otros materiales opcionales son soda caustica lignosulfonato cal apagada lubricantes

Los siguientes son factores que se deben considerar cuando se piense en el uso de lodos saturados con sa

Aunque ellodo saturado con sal tiene alta capacidad de tolerancia a los solidos se hace casi inmanejable cuando se permite que el contenido de solidos de gravedad especffica baja se vuelva alto Por supuesto el significado de alto depende de la densidad dellodo - entre mas alta sea mas baja la cantidad de s61idos de baja gravedad que pueden ser tolerados - Asf para que un lodo saturado con sal y de densidad 11 1 Ibmgal cum pia bien sus funciones debe presentar -como maximo- 9 en volumen (aproximadamente 75Ibmbbl) de solidos de baja gravedad especifica

La estabilidad termica dellodo esta basicamente limitada por la temperatura de degradaci6n de su componente menos estable

Despues de los lodos base aceite y de los preparados con cloruro de potasio (sin contar los preparados con materiales polimericos) los saturados con sal son de los mejores para perforar shales problematicos No obstante muchas veces se opta por no usar los lodos saturados con sal por dos razones

CLASIFICACIO SEGUN COMPOSICION DE LOS PRINCIPALES LODOS DE PERFORACION 63

64

Requleren cantidades mayores -con respecto a los otros lodos- de mat~riales para controlar sus perdidas de filtrado Ello se debe a que son sistemas inhibidos (presentan aditivos que impiden 0 limitan su reaccion con las formaciones perforadas) allamente con grandes cantidades de sal comun

La dificullad para controlar sus propiedades reologicas problema que acomparia a una mayor facilidad de dispersion en el lodo de los recortes de formacion situacion debida principalmente a la caida de la concentracion de sal por debajo del punto de saturacion 0 al aumento - por encima de los niveles maximos- de la presencia de los solidos de baja gravedad especifica asi el agua permanezca saturada de sal Aqui debe destacarse nueva mente la importancia de un control de recortes de formacion y de solid os en general Si estos se mantienen en concentraciones bajas en los lodos saturados con sal no habria problemas con sus propiedades reologicas Finalmente puede decirse que si a pesar de estar las concentraciones de solidos dentro de los limites apropiados un lodo saturado con sal alcanza fuerzas gel muy alias esta situacion puede remediarse con la adicion de lignosulfonatos y soda caustica pH de 105 Y lignosulfonatos en concentracion de 4 Ibmbbl corresponden a Iratamientos tipicos de adelgazamiento

Estos lodos se han utilizado con supersaturacion de sal para perforar exitosamente en areas donde la presencia de sales plasticas en las formaciones ha IIegado a colapsar las tuberias de revestimiento

46 Lodos cuya fase continua es aceite

Abarcan dos tipos principales de sistemas

1) lodos de aceite Mezclas de aceite diesel asfaltos oxidados acidos organicos y otros aditivos Su contenido de agua debe estar por debajo del 5 Tambien se pueden constituir con crudo previa mente desgasificado como fase continua

2) lodos de emulsion invertida (agua en aceite) En ellos las concentraciones de agua emulsificantes (usual mente acidos grasos y derivados de amina) jabones de alto peso molecular viscosificantes (generalmente benton ita) y otros aditivos varian para poder mantener la estabilidad electrica y las propiedades reologicas de un lodo con requerimientos especfficos La concentracion de agua en todo caso no debe superar el 50

En general estos lodos se han empleado con exito para muchas tareas en perforacion pozos profundos condiciones extremas de presion y temperatura problemas de pega de tube ria y de estabilidad del pozo necesidad de atravesar zonas que contienen sales yeso 0 anhidrita presencia de sulfuro de hidrogeno u otras sustancias corrosivas para brocas y tuberia hallazgo de formaciones potencialmente productoras y que pueden ser dafiadas por otros tipo de lodos gran necesidad de minimizar la friccion y los torques (caso de los pozos alta mente direccionales) etcetera Quizas sea su caracter contaminante la mayor restriccion para emplearlos y hoy dificilmente puede recomendarse un lodo de aceite Las emulsiones invertidas especialmente si su fase continua esta constituida por aceites minerales de baja toxicidad (muy baja viscosidad y practicamente sin compuestos aromaticos) aun se usan sobre todo por la

LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORAcON

periorabilidad (traducida en menos problemas tecnicos durante toda la perioraci6n En otras palabras men or tiempo total de perioracion y menores costos)

47 Lodos con materiales polimericos

Son aquellos base agua dulce 0 salada que tienen incorporados compuestos quimicos de cadena larga y peso molecular alto (polimeros naturales semisinteticos 0 sinteticos - ver el numeral 52-) compuestos que pueden contribuir (1) al control de perdidas de filtrado y de propiedades reologicas (2) a la estabilidad termica (3) a la resistencia ante contaminantes (4) ala proteccion de las zonas potencial mente productoras (5) a mantener la estabilidad de las formaciones atravesadas (6) a dar lubricidad a la sarta a reducir el torque al cual se ve sometida a prevenir sus pegas y a protegerla en ambientes corrosiv~s (7) a mejorar la periorabilidad (8) a mantener un ambiente limpio etcetera

Entre los materiales polimericos mas usados en las operaciones de perioracion estan el almidon las gomas de Guar Xanthan y de algarrobo la carboximetil-celulosa el lignito la celulosa poliani6nica los poliacrilatos el copolimero de vinil amidav inil sulfonato la poliacrilamida parcialmente hidrolizada los acidos poliaminados la metilshyglucosida

Estos lodos se han constituido desde finales de los arios 80 en una de las mejores alternativas ante los problemas ambientales causados por el uso de los lodos cuya fase continua es aceite

Las desventajas relativas mas prominentes de los lodos con materiales polimericos parecen ser el costo alto y su periorabilidad (en ella son superados por los lodos cuya fase continua es aceite y por aquellos cuya fase continua es material sintetico)

48 Lodos cuya fase continua es material sintetico (producido por sintesis quimica)

Segun definiciones de la EPA citadas por Churan Candler y Freeman 12 estos lodos presentan agua como fase dispersa en materiales producidos por la reaccion de ciertos compuestos purificados quimicamente AI provenir de estos compuestos purificados los materiales sinteticos estarfan Iibres de hidrocarburos aromaticos cosa que no ocurre con las fases continuas tradicionales -el gasoleo (aceite diesel) y los aceites minerales de baja toxicidad- derivadas de aceite crudo mediante procesos de separacion fisica yo reacciones quimicas

Esta nueva clase de lodos -se les denomina Iodos basados en seudoaceite13- posee la mayoria de propiedades de los lodos base aceite -recordemos que estos presentan estabilidad ante temperaturas altas inhibici6n ante shales u otras formaciones sensibles al agua dulce proteccion excelente de la sarta ante elementos corrosiv~s

perdidas de filtrado muy bajas resistencia a contaminantes tales como sales anhidrita y yeso ratas de perioracion altas lubricacion muy buena de la sarta etcetera- y con su uso se podrian disminuir los grandes problemas de contaminacion causados con los lodos cuya fase continua es aceite pero muchos de ellos presentan toxicidad acuatica (ver la seccion 5) Aun asi algunos autores recomiendan estos nuevos lodos como una alternativa al uso de lodos cuya fase continua es aceite

CLASIFICACIO SEGUN COMPO SIC ION DE LOS PRlNCIPALES LaDaS DE PERFORACION 65

IlVIPACTOAMBlliNTAL DE LOS PRINCIPALESLODOS DE PERFORACION

SECCION 5

5 IMPACTO AMBIENTAL DE LOS PRINCIPALES LODOS DE PERFORACI6N12-96

51 Lodos de perforacion y politicas ambientales en el mundo

Conjuntamente el API y la EPA estudiaron los desechos producidos en las operaciones de perforacion e identificaron en ellos arsenico benceno cloruro cadmio cromo+ 6

boro sodio bario penta-clorofenol y plomo los cuales puede n dafiar -algunos gravemente- la salud del hombre y someter a grandes riesgos el ambiente

De tales desechos -recortes de perforacion impregnados de lodo lodos gastados sobrantes de lodos aguas con lubricantes y otras sustancias (tales como las empleadas en limpieza del equipo de perforacion) residuos de las operaciones de cementacion etcetera- la componente mas abundante y toxica corresponde a los lodos de perforacion (sobrantes gastados recortes impregnados)

EI grado de toxicidad de los lodos de perforacion se mide comunmente con la prueba para supervivencia de camarones tipo Mysidopsis Bahia en la cual se determ ina el fndice LCse (concentracion en ppm de la fase de partfculas suspendidas que mata despues de estar expuestos a dicha fase al 50 de los camarones escog idos para la prueba) La Figura 12 ilustra el procedimiento de la prueba En esta se toma un volumen del lodo examinado y se mezcla con nueve volumenes de agua de mar la mezcla se agita durante cinco minutos luego se deja reposar durante una hora La fase Hquida (y cualesquiera partfculas suspendidas en ella) que se separe al finalizar el reposo es la Ilamada fase de partfculas suspendidas y es el toxico a probar EI t~xico es aislado del resto de la mezcla y luego se distribuye en var ios recipientes que contienen agua de mar con camarones de modo que en cada recipiente quede el toxico en una concentracion dada Noventa y seis horas despues se determina el LCso del lodo Entre menor sea el valor del LCso mayor sera la toxicidad del lodo (ver la Tabla 3) Segun Bleier (17 p1192) la EPA prohibe descargar en el Golfo de Mexico lodos y recortes que presenten un LCso menor de 30000 ppm Para Clark (18 p805) tal descarga (se exceptuan los lodos y recortes que contengan aceite completamente prohibidos) esta sujeta a multas

Veamos ahora datos principalmente a la luz de las regulaciones que imperan en el Golfo de Mejico y en el Mar del Norte sobre la toxicidad de los principales lodos de perforacion y de algunos de sus aditivos

TABLA 3 Grados de toxieidad

GRADO VAlORES lC so (ppm)

Praetieamente no taxieo gt10000

Ligeramente taxieo 1000 - 10000

Moderadamente taxieo 100 -1000

Taxieo 1 -100

Muy taxieo lt1

Referencia 16 p476

Conferencia presentada por el autor en el marco del Primer Encuentro Academico de Ingenieria de Petroleos celebrado en Medellin abril de 1999

IMPACTO AMBIENTALDE LOS PRlNClPALES LaDaS DE PERFORACl6N

U+ -7 Mezclar -7 Reposar-7 por5 poruna

minutos hora

i Una parte del

lodo de Perforacion

1 9 (VolumenNolumen)

Nueve partes de Agua Salada

Fase de particulas suspendidas

1 Diluciones Apropiadas

1 96 horas con camarones

Figura 12 Procedimiento para la prueba de supervivencia de camarones tipo Mysidopsis Bahia ( Modificado de la Referencia 17 p1193)

Toxicidad de lodos

Los lodos mas toxicos son los que presentan gasoleo (diesel) 0 petr61eo crudo como fase continua En los Estados Unidos de America esta hoy prohibido descargar en las aguas cualquier tipo de lodo que contenga aceite 0 recortes impregnados con tal lodo En el Mar del Norte y segun Brakel y colaboradores 19 se permitio hasta el primero de enero de 1997 descargar en el mar recortes que incluyeran maximo un 10 en peso de lodos con aceites minerales de baja toxicidad como fase continua Oespues de esa fecha el limite se baJo al 1

Muchos de los lodos cuya fase continua es material sintetico -sugeridos ultimamente como alternativa para disminuir los gran des efectos contaminantes de los lodos con aceite como fase continua- son toxicos (13 p728) Esta toxicidad se ha encontrado especialmente en la segunda generacion de dichos lodos (en tal generacion se usan olefina isomerizada parafina alfa-olefina y alquil-benceno lineales) en la cual tiene puestos hoy sus ojos la industria de exploracion ante los costos altisimos de la primera generacion (usa ester poli-alfa-olefina y eter entre otros compuestos sinteticos) reportada como no toxico (18 p807) No obstante esta ultima consideracion en 1994 no se permitia descargar en el Golfo de Mexico lodos de la primera generacion (Op cit)

70 LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACION

Los odos bajos en s6lidos tipo KClpolimeros que han tenido gran aplicaci6n por su habilidad para resolver la inestabilidad de los pozos por presencia de shales problematicos (situaci6n muy comun en perforaciones costa afuera) son hoy considerados -entre los lodos base agua- como uno de los mas contaminantes (LCso de 27000 ppm para un lodo constituido con 0737 bbl de agua de mar 050 Ibm de eelulosa poli-ani6nica de viscosidad baja 2 Ibm de almid6n 1 Ibm de goma Xanthan 50 Ibm de KCI 285 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidr6xido de potasio) Este

LCso hace prohibitivo el uso de estos lodos en las perforaciones costa afuera en los Estados Unidos aunque en otros lugares del mundo los emplean aun

Los odos dispersos tipo lignosulfonato (can 0 sin lignito) fueron de un uso vasto en operaciones de perforaci6n en tierra y costa afuera hasta mediados de los arias ochenta en los Estados Unidos Era comun que ellignosulfonato empleado contuviera de 2 a 4 en peso de cromo trivalente y algunas veces la estabilidad termica se mejoraba con sales de cromo hexavalente Los lignitos empleados tambien pod ian contener cromo Ademas de este elemento pesado los lodos con lignosulfonato solian ser lubricados con gas61eo (aceite diesel) y no obstante ellos y los recortes impregnados se arrojaban al mar AI final de los ochenta se habia reemplazado por otros lubricantes menos daninos al ambiente y aunque las pruebas de toxicidad no han indicado un efecto adverso para el ambiente por la presencia del cromo han sido realizadas investigaciones y pruebas numerosas para reducir el cromo en los lignosulfonatos yo reemplazarlo por otros cationes tambien han sido desarrollados varios dispersantes con el fin de sustituir todos los lignosulfonatos

Los odos no dispersos y los odos primarios se encuentran entre los menos t6xicos LC50 mayor de 1 000000 ppm para un lodo configurado con 13 Ibm de bentonita 0857 bbl de agua dulce 050 Ibm de ampliador del rendimiento de la bentonita 025 Ibm de poliacrilato de sodio y 191 Ibm de barita igual valor de LC para un lodo constituido so par 125 Ibm de bentonita 0477 bbl de agua de mar 0477 bbl de agua dulce 0 5 Ibm de cal apagada 50 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidr6xido de sodio

Con respecto a los odos con materiaes polimericos puede decirse que no son t6xicos mayor de 1 000000 para un lodo constituido con 025 Ibm de CMC 050 LC50 Ibm de celulosa poli-ani6nica de viscosidad normal 20 Ibm de bentonita 20 Ibm de barita pH de 95 (ajustado con hidr6xido de sodio) y sendas porciones (0483 bbl) de agua de mar y de agua dulce Actualmente se les puede considerar como una buena

de 516000 ppm para un lodo constituido con 15 Ibm de lignosulfonato de cramo 10 Ibm LCso de lignito 30 Ibm de atapulgita 0643 bbl de agua de mar 025 Ibm de celulosa poli-anionica de viscosidad normal 475 Ibm de barita y pH de 11 ajustado con hidr6xido de sodio LC deso 293000 ppm para un lodo formado con 15 Ibm de lignosulfonato de eramo 10 Ibm de lignito 15 Ibm de benton ita 0649 bbl de agua dulce 025 Ibm de CMC 1 Ibm de carbonato acido de sodio (NaHC03) 490 Ibm de barita y pH de 105 ajustado con hidroxido de sodio LC deso 654000 ppm para un lodo configurado por 5 Ibm de lignosulfonato de eramo 3 Ibm de lignito 20 Ibm de bentonita 0851 bbl de agua dulce 050 Ibm de CMC 1 Ibm de carbonato de sodio (Na2C0 3) 179 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidroxido de sodio LC de 163000 ppmso para un lodo constituido por 15 Ibm de lignosulfonato de cromo 8 Ibm de lignito 20 Ibm de bentonita 0737 bbl de agua dulce 5 Ibm de cal apagada 282 Ibm de barita y pH de 12 ajustado con hidr6xido de sodio

IMPACTOAMBIENTAL DE LOS PRlNClPALES LODOS DE PERFORACION 7l

72

alternativa para el uso de lodos con cloruro de potasio de lodos cuya fase continua es aceite y de los lodos con lignosulfonatos A los primeros los lodos con polimeros los han reemplazado en las operaciones de perforacion que involucran inestabilidad del pozo por la presencia de shales problematicos realizadas en el Golfo de Mexico con los segundos compiten en la gran mayo ria de caracteristicas tecnicas -excepto quiz8S en la perforabilidad- y con respecto a los ultimos operan a pH mas bajos cond ici 6n que parece reducir la desintegracion de recortes Ademas de reemplazar materia les y lodos altamente t6xicos los lodos con materiales polimericos -al disminuir la desintegracion de recortes y estabilizar el hoyo- rebajan el volumen de lodo y de re cortes que se tendran que procesar y descartar durante yo despues de la perforacion (ver el numeral 53) contribuyendo aun mas a mantener limpio nuestro ambiente

Finalmenie se puede decir que los lodos que hoy se proponen como una alternativa al uso de fluidos neumiWcos tienen efectos minimos sobre el ambiente segun 10 reportado por Medley y colaboradores (15 p1211) en una ponencia presentada en la Conferencia y Exhibicion Tecnica y Anual de la SPE

Toxicidad de aditivos

Debe resaltarse que los aditivos mas peligrosos que se han usado en lodos de perforacion -asbesto (para mejorar la capacidad de remocion de recortes) fenoles clorinados (Iubricantes) y sales de cromo hexavalente (estabilizador termico)- estan totalmente prohibidos hoy todos han sido reemplazados por otros aditivos que exhiben muy buen desemperio tecnico y que no contaminan Otros reactivos tales como el estearato de aluminio antiespumante muy utilizado y que requeria ser aplicado con gasoleo (aceite diesel) ha sido sustituido por adit ivos menos toxicos (derivados de alcoholes 0 esteres por ejemplo) En el area de densificantes la barita continua como uno de los mas utilizados pero han aumentado las exigencias sobre su calidad la usada en los lodos que quieran ser vertidos en el Golfo de Mejico no pueden contener mas de 1 mgkg de mercurio ni mas de 3 mgkg de cadmio

Muchos lubricantes que dariaban grandemente el ambiente (en su mayo ria derivados del petroleo) han sido reemplazados por derivados de gliceroles y de glicoles asi como por aceites vegetales y sus derivados entre otros compuestos no toxicos

Finalmente el paraformaldehido -corrientemente utilizado como bactericida para proteger aditivos polimericos naturales y que se descompone en formaldehido (toxico)shyha sido sustituido por glutaraldehido e isotiazolinas mucho menos toxicos La Tabla 4 muestra otros aditivos t6xicos y los sustitutos sugeridos

Medidas tomadas y su internacionalizacion

La preocupacion mundial por el impacto ambiental de las operaciones de exploraci6n y producci6n de hidrocarburos ha lIevado a celebrar reuniones y acuerdos internacionales para crear y aplicar de modo concertado normas para proteccion ambiental (ver las Referencias 21 y 22) Ante unas regulaciones ambientales cada vez mas presentes en las legislaciones nacionales regionales e internacionales y cada dia mas estrictas la industria petrolera en general y la de perforacion en particular se ha dedicado a buscar alternativas para disminuir el impacto ambiental de sus operaciones En el area de los lodos de perforacion dos han sido los caminos principales (1) Reduccion de toxicidad de los lodos y sus aditivos En este campo los materiales polimericos

LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACJON

juegan un papel estelar -ver el numeral 52- (2) Reduccion de los volumenes de desechos de lodos (ver el numeral 53) aqui tambien intervienen los materiales polimericos

52 Los materiales polimericos y su importancia en las operaciones de perforacion Lodos base agua y materiales polimericos contra lodos cuya fase continua es aceite

Los polimeros organicos y solubles en agua son los que han ten ido mas ap licacion en la industria del petroleo Estos polimeros son normalmente clasificados segun los monomeros constituyentes como homopoiimeros (sus monomeros son de igua l constitucion quimica) y copolimeros (con dos 0 mas tipos de monomeros) Segu n su origen pueden ser naturales -almidon goma de Guar (Cyanopsis Psoralioides ) goma de Xanthan goma de algarrobo- semisinteticos (carboximetil-celulosa derivados de almidon derivados de las gomas naturales) 0 sinteticos (copolimeros de acrilam ida por ejemplo )23

TABLA 4 Algunos aditivos tcixicos y sus sustitutos

ADITIVO TOXICO usa SUSTITUTO

Lignosulfonato 0 lignito de cromo Cromo Adelgazante a

Taninos 0 dicromato su Ifometilados Cromo Adelgazante a

Dicromato 0 cromato de sodio Cromo Control de corrosi6n b

Cromato de zinc Cromo Control de H2S c

Pentaclo rofenol Pentaclorofenol Bactericida d

ArSEmico Arsenico Bactericida d

Lubricante con plomo Lubricaci6n 0 sello para tuber ia Plomo de roscas e

Modificaci6n de la Referencia 20 p543

a Poliacrilato yo poliacrilamida

b Sulfitos fosfonatos y aminas

c Controlador de H2S sin cromo

d Isotiazolinas carbamatos y glutaraldehidos

e Lubricante para tuberias de revestimiento y de perforacicin sin plomo

Desde los anos 30 cuando se usaron en Estados Unidos las primeras cantidades significativas de polimeros organicos en lodos de perforacion 24 el interes por aplicaciones de dichos polimeros en la industria petrolifera crece dia a dia derivando en infinidad de estudios tal como se puede apreciar al haeer una revision no exhaustiva de las publicaeiones de la SPE durante los ultimos 25 anos se ha investigado

IMPACTOAMBIENTA L DE LOS PRJNClPALES LODOS DE PERFORACION 73

intensamente sobre el empleo de polimeros en perforacion2537 fracturamientu38-45 acidificacion46-47 control de produccion de agua48 prevencion de la produccion de

50arena 49- estabilizaci6n de arcillas (para evitar problemas tales como la migracion de finos) 30 5156 control de perdidas de circulacion en operaciones de completamiento y rea condicionamiento de pOZOS57 procesos de recuperacion mejorada58-7 beneficio de otros polfmeros72 construccion de barreras para desechos liquidos de la industria de gas y petroleo73

En el area de perforacion de pozos es especialmente valioso el aporte de los polimeros Se emplean como parte esencial de los fluidos utilizados en ella para mejoramiento de las propiedades reol6gicas y de filtracion impartidas a dichos fluidos por viscosificantes-reductores de filtrado minerales tales como bentonita sub-benton ita y atapulgita actualmente se utilizan con tal proposito almidones procesados gran cantidad de polimeros de cadena larga y mezclas de ellos Aun mas Gray y Darley (24 p54) entre otros autores74 76 comentan y proponen el reemplazo de los viscosificantesshyreductores de filtrado minerales por polimeros y otros investigadores reportan el uso exit9so de sistemas de lodos de perforacion con tal caracterfstica Steiger (30 p 1665) confirma como ventajas de un sistema de fluidos de perforacion sin viscosificantesshyreductores de filtrado minerales (compuesto por agua dulce polimero XC almidon de mafz paraformaldehido celulosa polianionica cloruro e hidroxido de potasio) con respecto a los que sf los contienen una mayor predecibilidad en las propiedades reologicas y de gelatinosidad menores perdidas de filtrado costra mas delgada y firme Con costos moderados este autor logro formular el sistema anterior y con el hizo minimos los problemas relacionados con la perforacion de formaciones inestables Segun Steiger mas de cien pozos en el mundo se han perforado exitosamente con el sistema sin viscosificantes-reductores de filtrado minerales Por su lado Browning y Chesser (25 p1256) estudian otro sistema de lodo de perforacion sin dichos compuestos (conformado basicamente con polimeros organicos) y como ventajas Ie encuentran el efecto adverso minima sobre las formaciones expuestas durante la perforacion de pozos la comunicacion de mayor potencia a la broca la posibilidad de emplear velocidades anulares muy bajas y una limpieza mas eficiente del hoyo entre otras Reportan el empleo exitoso de este sistema en perforaciones de mas de 14000 pies -unos 4267m- de profundidad (en el Condado de Reeves Texas USA) con estabilidad en las propiedades de flujo durante una semana de uso

Entre los polimeros semisinteticos utilizados en el area de perforacion sobresale la CMC por su uso extendido -solo comparable con el del almidon- su versatilidad la abundacia en la naturaleza de la celulosa (material del que se obtiene) y su bajo costa con respecto a otros poifmeros empleados en la industria del petroleo segun Chatterji y Borchardt (23 p2045) solo los precios de las gomas de Guar estan por debajo del correspondiente a la CMC En fluidos de perforacion se utiliza principal mente para suspensi6n de materiales densificantes y como reductor de filtrado en operaciones de empaquetamiento con grava y sellamiento de zonas Iadronas tambien es bastante utilizada (23 p2049) Este polimero es producido por la Industria Nacional de Colombia en tres grados77 (correspondientes a las unidades glucosfdicas presentes en el producto) Grado 1 (viscosidad alta) Grado 2 (viscosidad media) y Grado 3 (viscosidad baja) De estas diferentes calidades se derivarian efectos fundamentales sobre los fluidos en los cuales se emplee la CMC

7- LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACOt

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Requleren cantidades mayores -con respecto a los otros lodos- de mat~riales para controlar sus perdidas de filtrado Ello se debe a que son sistemas inhibidos (presentan aditivos que impiden 0 limitan su reaccion con las formaciones perforadas) allamente con grandes cantidades de sal comun

La dificullad para controlar sus propiedades reologicas problema que acomparia a una mayor facilidad de dispersion en el lodo de los recortes de formacion situacion debida principalmente a la caida de la concentracion de sal por debajo del punto de saturacion 0 al aumento - por encima de los niveles maximos- de la presencia de los solidos de baja gravedad especifica asi el agua permanezca saturada de sal Aqui debe destacarse nueva mente la importancia de un control de recortes de formacion y de solid os en general Si estos se mantienen en concentraciones bajas en los lodos saturados con sal no habria problemas con sus propiedades reologicas Finalmente puede decirse que si a pesar de estar las concentraciones de solidos dentro de los limites apropiados un lodo saturado con sal alcanza fuerzas gel muy alias esta situacion puede remediarse con la adicion de lignosulfonatos y soda caustica pH de 105 Y lignosulfonatos en concentracion de 4 Ibmbbl corresponden a Iratamientos tipicos de adelgazamiento

Estos lodos se han utilizado con supersaturacion de sal para perforar exitosamente en areas donde la presencia de sales plasticas en las formaciones ha IIegado a colapsar las tuberias de revestimiento

46 Lodos cuya fase continua es aceite

Abarcan dos tipos principales de sistemas

1) lodos de aceite Mezclas de aceite diesel asfaltos oxidados acidos organicos y otros aditivos Su contenido de agua debe estar por debajo del 5 Tambien se pueden constituir con crudo previa mente desgasificado como fase continua

2) lodos de emulsion invertida (agua en aceite) En ellos las concentraciones de agua emulsificantes (usual mente acidos grasos y derivados de amina) jabones de alto peso molecular viscosificantes (generalmente benton ita) y otros aditivos varian para poder mantener la estabilidad electrica y las propiedades reologicas de un lodo con requerimientos especfficos La concentracion de agua en todo caso no debe superar el 50

En general estos lodos se han empleado con exito para muchas tareas en perforacion pozos profundos condiciones extremas de presion y temperatura problemas de pega de tube ria y de estabilidad del pozo necesidad de atravesar zonas que contienen sales yeso 0 anhidrita presencia de sulfuro de hidrogeno u otras sustancias corrosivas para brocas y tuberia hallazgo de formaciones potencialmente productoras y que pueden ser dafiadas por otros tipo de lodos gran necesidad de minimizar la friccion y los torques (caso de los pozos alta mente direccionales) etcetera Quizas sea su caracter contaminante la mayor restriccion para emplearlos y hoy dificilmente puede recomendarse un lodo de aceite Las emulsiones invertidas especialmente si su fase continua esta constituida por aceites minerales de baja toxicidad (muy baja viscosidad y practicamente sin compuestos aromaticos) aun se usan sobre todo por la

LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORAcON

periorabilidad (traducida en menos problemas tecnicos durante toda la perioraci6n En otras palabras men or tiempo total de perioracion y menores costos)

47 Lodos con materiales polimericos

Son aquellos base agua dulce 0 salada que tienen incorporados compuestos quimicos de cadena larga y peso molecular alto (polimeros naturales semisinteticos 0 sinteticos - ver el numeral 52-) compuestos que pueden contribuir (1) al control de perdidas de filtrado y de propiedades reologicas (2) a la estabilidad termica (3) a la resistencia ante contaminantes (4) ala proteccion de las zonas potencial mente productoras (5) a mantener la estabilidad de las formaciones atravesadas (6) a dar lubricidad a la sarta a reducir el torque al cual se ve sometida a prevenir sus pegas y a protegerla en ambientes corrosiv~s (7) a mejorar la periorabilidad (8) a mantener un ambiente limpio etcetera

Entre los materiales polimericos mas usados en las operaciones de perioracion estan el almidon las gomas de Guar Xanthan y de algarrobo la carboximetil-celulosa el lignito la celulosa poliani6nica los poliacrilatos el copolimero de vinil amidav inil sulfonato la poliacrilamida parcialmente hidrolizada los acidos poliaminados la metilshyglucosida

Estos lodos se han constituido desde finales de los arios 80 en una de las mejores alternativas ante los problemas ambientales causados por el uso de los lodos cuya fase continua es aceite

Las desventajas relativas mas prominentes de los lodos con materiales polimericos parecen ser el costo alto y su periorabilidad (en ella son superados por los lodos cuya fase continua es aceite y por aquellos cuya fase continua es material sintetico)

48 Lodos cuya fase continua es material sintetico (producido por sintesis quimica)

Segun definiciones de la EPA citadas por Churan Candler y Freeman 12 estos lodos presentan agua como fase dispersa en materiales producidos por la reaccion de ciertos compuestos purificados quimicamente AI provenir de estos compuestos purificados los materiales sinteticos estarfan Iibres de hidrocarburos aromaticos cosa que no ocurre con las fases continuas tradicionales -el gasoleo (aceite diesel) y los aceites minerales de baja toxicidad- derivadas de aceite crudo mediante procesos de separacion fisica yo reacciones quimicas

Esta nueva clase de lodos -se les denomina Iodos basados en seudoaceite13- posee la mayoria de propiedades de los lodos base aceite -recordemos que estos presentan estabilidad ante temperaturas altas inhibici6n ante shales u otras formaciones sensibles al agua dulce proteccion excelente de la sarta ante elementos corrosiv~s

perdidas de filtrado muy bajas resistencia a contaminantes tales como sales anhidrita y yeso ratas de perioracion altas lubricacion muy buena de la sarta etcetera- y con su uso se podrian disminuir los grandes problemas de contaminacion causados con los lodos cuya fase continua es aceite pero muchos de ellos presentan toxicidad acuatica (ver la seccion 5) Aun asi algunos autores recomiendan estos nuevos lodos como una alternativa al uso de lodos cuya fase continua es aceite

CLASIFICACIO SEGUN COMPO SIC ION DE LOS PRlNCIPALES LaDaS DE PERFORACION 65

IlVIPACTOAMBlliNTAL DE LOS PRINCIPALESLODOS DE PERFORACION

SECCION 5

5 IMPACTO AMBIENTAL DE LOS PRINCIPALES LODOS DE PERFORACI6N12-96

51 Lodos de perforacion y politicas ambientales en el mundo

Conjuntamente el API y la EPA estudiaron los desechos producidos en las operaciones de perforacion e identificaron en ellos arsenico benceno cloruro cadmio cromo+ 6

boro sodio bario penta-clorofenol y plomo los cuales puede n dafiar -algunos gravemente- la salud del hombre y someter a grandes riesgos el ambiente

De tales desechos -recortes de perforacion impregnados de lodo lodos gastados sobrantes de lodos aguas con lubricantes y otras sustancias (tales como las empleadas en limpieza del equipo de perforacion) residuos de las operaciones de cementacion etcetera- la componente mas abundante y toxica corresponde a los lodos de perforacion (sobrantes gastados recortes impregnados)

EI grado de toxicidad de los lodos de perforacion se mide comunmente con la prueba para supervivencia de camarones tipo Mysidopsis Bahia en la cual se determ ina el fndice LCse (concentracion en ppm de la fase de partfculas suspendidas que mata despues de estar expuestos a dicha fase al 50 de los camarones escog idos para la prueba) La Figura 12 ilustra el procedimiento de la prueba En esta se toma un volumen del lodo examinado y se mezcla con nueve volumenes de agua de mar la mezcla se agita durante cinco minutos luego se deja reposar durante una hora La fase Hquida (y cualesquiera partfculas suspendidas en ella) que se separe al finalizar el reposo es la Ilamada fase de partfculas suspendidas y es el toxico a probar EI t~xico es aislado del resto de la mezcla y luego se distribuye en var ios recipientes que contienen agua de mar con camarones de modo que en cada recipiente quede el toxico en una concentracion dada Noventa y seis horas despues se determina el LCso del lodo Entre menor sea el valor del LCso mayor sera la toxicidad del lodo (ver la Tabla 3) Segun Bleier (17 p1192) la EPA prohibe descargar en el Golfo de Mexico lodos y recortes que presenten un LCso menor de 30000 ppm Para Clark (18 p805) tal descarga (se exceptuan los lodos y recortes que contengan aceite completamente prohibidos) esta sujeta a multas

Veamos ahora datos principalmente a la luz de las regulaciones que imperan en el Golfo de Mejico y en el Mar del Norte sobre la toxicidad de los principales lodos de perforacion y de algunos de sus aditivos

TABLA 3 Grados de toxieidad

GRADO VAlORES lC so (ppm)

Praetieamente no taxieo gt10000

Ligeramente taxieo 1000 - 10000

Moderadamente taxieo 100 -1000

Taxieo 1 -100

Muy taxieo lt1

Referencia 16 p476

Conferencia presentada por el autor en el marco del Primer Encuentro Academico de Ingenieria de Petroleos celebrado en Medellin abril de 1999

IMPACTO AMBIENTALDE LOS PRlNClPALES LaDaS DE PERFORACl6N

U+ -7 Mezclar -7 Reposar-7 por5 poruna

minutos hora

i Una parte del

lodo de Perforacion

1 9 (VolumenNolumen)

Nueve partes de Agua Salada

Fase de particulas suspendidas

1 Diluciones Apropiadas

1 96 horas con camarones

Figura 12 Procedimiento para la prueba de supervivencia de camarones tipo Mysidopsis Bahia ( Modificado de la Referencia 17 p1193)

Toxicidad de lodos

Los lodos mas toxicos son los que presentan gasoleo (diesel) 0 petr61eo crudo como fase continua En los Estados Unidos de America esta hoy prohibido descargar en las aguas cualquier tipo de lodo que contenga aceite 0 recortes impregnados con tal lodo En el Mar del Norte y segun Brakel y colaboradores 19 se permitio hasta el primero de enero de 1997 descargar en el mar recortes que incluyeran maximo un 10 en peso de lodos con aceites minerales de baja toxicidad como fase continua Oespues de esa fecha el limite se baJo al 1

Muchos de los lodos cuya fase continua es material sintetico -sugeridos ultimamente como alternativa para disminuir los gran des efectos contaminantes de los lodos con aceite como fase continua- son toxicos (13 p728) Esta toxicidad se ha encontrado especialmente en la segunda generacion de dichos lodos (en tal generacion se usan olefina isomerizada parafina alfa-olefina y alquil-benceno lineales) en la cual tiene puestos hoy sus ojos la industria de exploracion ante los costos altisimos de la primera generacion (usa ester poli-alfa-olefina y eter entre otros compuestos sinteticos) reportada como no toxico (18 p807) No obstante esta ultima consideracion en 1994 no se permitia descargar en el Golfo de Mexico lodos de la primera generacion (Op cit)

70 LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACION

Los odos bajos en s6lidos tipo KClpolimeros que han tenido gran aplicaci6n por su habilidad para resolver la inestabilidad de los pozos por presencia de shales problematicos (situaci6n muy comun en perforaciones costa afuera) son hoy considerados -entre los lodos base agua- como uno de los mas contaminantes (LCso de 27000 ppm para un lodo constituido con 0737 bbl de agua de mar 050 Ibm de eelulosa poli-ani6nica de viscosidad baja 2 Ibm de almid6n 1 Ibm de goma Xanthan 50 Ibm de KCI 285 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidr6xido de potasio) Este

LCso hace prohibitivo el uso de estos lodos en las perforaciones costa afuera en los Estados Unidos aunque en otros lugares del mundo los emplean aun

Los odos dispersos tipo lignosulfonato (can 0 sin lignito) fueron de un uso vasto en operaciones de perforaci6n en tierra y costa afuera hasta mediados de los arias ochenta en los Estados Unidos Era comun que ellignosulfonato empleado contuviera de 2 a 4 en peso de cromo trivalente y algunas veces la estabilidad termica se mejoraba con sales de cromo hexavalente Los lignitos empleados tambien pod ian contener cromo Ademas de este elemento pesado los lodos con lignosulfonato solian ser lubricados con gas61eo (aceite diesel) y no obstante ellos y los recortes impregnados se arrojaban al mar AI final de los ochenta se habia reemplazado por otros lubricantes menos daninos al ambiente y aunque las pruebas de toxicidad no han indicado un efecto adverso para el ambiente por la presencia del cromo han sido realizadas investigaciones y pruebas numerosas para reducir el cromo en los lignosulfonatos yo reemplazarlo por otros cationes tambien han sido desarrollados varios dispersantes con el fin de sustituir todos los lignosulfonatos

Los odos no dispersos y los odos primarios se encuentran entre los menos t6xicos LC50 mayor de 1 000000 ppm para un lodo configurado con 13 Ibm de bentonita 0857 bbl de agua dulce 050 Ibm de ampliador del rendimiento de la bentonita 025 Ibm de poliacrilato de sodio y 191 Ibm de barita igual valor de LC para un lodo constituido so par 125 Ibm de bentonita 0477 bbl de agua de mar 0477 bbl de agua dulce 0 5 Ibm de cal apagada 50 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidr6xido de sodio

Con respecto a los odos con materiaes polimericos puede decirse que no son t6xicos mayor de 1 000000 para un lodo constituido con 025 Ibm de CMC 050 LC50 Ibm de celulosa poli-ani6nica de viscosidad normal 20 Ibm de bentonita 20 Ibm de barita pH de 95 (ajustado con hidr6xido de sodio) y sendas porciones (0483 bbl) de agua de mar y de agua dulce Actualmente se les puede considerar como una buena

de 516000 ppm para un lodo constituido con 15 Ibm de lignosulfonato de cramo 10 Ibm LCso de lignito 30 Ibm de atapulgita 0643 bbl de agua de mar 025 Ibm de celulosa poli-anionica de viscosidad normal 475 Ibm de barita y pH de 11 ajustado con hidr6xido de sodio LC deso 293000 ppm para un lodo formado con 15 Ibm de lignosulfonato de eramo 10 Ibm de lignito 15 Ibm de benton ita 0649 bbl de agua dulce 025 Ibm de CMC 1 Ibm de carbonato acido de sodio (NaHC03) 490 Ibm de barita y pH de 105 ajustado con hidroxido de sodio LC deso 654000 ppm para un lodo configurado por 5 Ibm de lignosulfonato de eramo 3 Ibm de lignito 20 Ibm de bentonita 0851 bbl de agua dulce 050 Ibm de CMC 1 Ibm de carbonato de sodio (Na2C0 3) 179 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidroxido de sodio LC de 163000 ppmso para un lodo constituido por 15 Ibm de lignosulfonato de cromo 8 Ibm de lignito 20 Ibm de bentonita 0737 bbl de agua dulce 5 Ibm de cal apagada 282 Ibm de barita y pH de 12 ajustado con hidr6xido de sodio

IMPACTOAMBIENTAL DE LOS PRlNClPALES LODOS DE PERFORACION 7l

72

alternativa para el uso de lodos con cloruro de potasio de lodos cuya fase continua es aceite y de los lodos con lignosulfonatos A los primeros los lodos con polimeros los han reemplazado en las operaciones de perforacion que involucran inestabilidad del pozo por la presencia de shales problematicos realizadas en el Golfo de Mexico con los segundos compiten en la gran mayo ria de caracteristicas tecnicas -excepto quiz8S en la perforabilidad- y con respecto a los ultimos operan a pH mas bajos cond ici 6n que parece reducir la desintegracion de recortes Ademas de reemplazar materia les y lodos altamente t6xicos los lodos con materiales polimericos -al disminuir la desintegracion de recortes y estabilizar el hoyo- rebajan el volumen de lodo y de re cortes que se tendran que procesar y descartar durante yo despues de la perforacion (ver el numeral 53) contribuyendo aun mas a mantener limpio nuestro ambiente

Finalmenie se puede decir que los lodos que hoy se proponen como una alternativa al uso de fluidos neumiWcos tienen efectos minimos sobre el ambiente segun 10 reportado por Medley y colaboradores (15 p1211) en una ponencia presentada en la Conferencia y Exhibicion Tecnica y Anual de la SPE

Toxicidad de aditivos

Debe resaltarse que los aditivos mas peligrosos que se han usado en lodos de perforacion -asbesto (para mejorar la capacidad de remocion de recortes) fenoles clorinados (Iubricantes) y sales de cromo hexavalente (estabilizador termico)- estan totalmente prohibidos hoy todos han sido reemplazados por otros aditivos que exhiben muy buen desemperio tecnico y que no contaminan Otros reactivos tales como el estearato de aluminio antiespumante muy utilizado y que requeria ser aplicado con gasoleo (aceite diesel) ha sido sustituido por adit ivos menos toxicos (derivados de alcoholes 0 esteres por ejemplo) En el area de densificantes la barita continua como uno de los mas utilizados pero han aumentado las exigencias sobre su calidad la usada en los lodos que quieran ser vertidos en el Golfo de Mejico no pueden contener mas de 1 mgkg de mercurio ni mas de 3 mgkg de cadmio

Muchos lubricantes que dariaban grandemente el ambiente (en su mayo ria derivados del petroleo) han sido reemplazados por derivados de gliceroles y de glicoles asi como por aceites vegetales y sus derivados entre otros compuestos no toxicos

Finalmente el paraformaldehido -corrientemente utilizado como bactericida para proteger aditivos polimericos naturales y que se descompone en formaldehido (toxico)shyha sido sustituido por glutaraldehido e isotiazolinas mucho menos toxicos La Tabla 4 muestra otros aditivos t6xicos y los sustitutos sugeridos

Medidas tomadas y su internacionalizacion

La preocupacion mundial por el impacto ambiental de las operaciones de exploraci6n y producci6n de hidrocarburos ha lIevado a celebrar reuniones y acuerdos internacionales para crear y aplicar de modo concertado normas para proteccion ambiental (ver las Referencias 21 y 22) Ante unas regulaciones ambientales cada vez mas presentes en las legislaciones nacionales regionales e internacionales y cada dia mas estrictas la industria petrolera en general y la de perforacion en particular se ha dedicado a buscar alternativas para disminuir el impacto ambiental de sus operaciones En el area de los lodos de perforacion dos han sido los caminos principales (1) Reduccion de toxicidad de los lodos y sus aditivos En este campo los materiales polimericos

LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACJON

juegan un papel estelar -ver el numeral 52- (2) Reduccion de los volumenes de desechos de lodos (ver el numeral 53) aqui tambien intervienen los materiales polimericos

52 Los materiales polimericos y su importancia en las operaciones de perforacion Lodos base agua y materiales polimericos contra lodos cuya fase continua es aceite

Los polimeros organicos y solubles en agua son los que han ten ido mas ap licacion en la industria del petroleo Estos polimeros son normalmente clasificados segun los monomeros constituyentes como homopoiimeros (sus monomeros son de igua l constitucion quimica) y copolimeros (con dos 0 mas tipos de monomeros) Segu n su origen pueden ser naturales -almidon goma de Guar (Cyanopsis Psoralioides ) goma de Xanthan goma de algarrobo- semisinteticos (carboximetil-celulosa derivados de almidon derivados de las gomas naturales) 0 sinteticos (copolimeros de acrilam ida por ejemplo )23

TABLA 4 Algunos aditivos tcixicos y sus sustitutos

ADITIVO TOXICO usa SUSTITUTO

Lignosulfonato 0 lignito de cromo Cromo Adelgazante a

Taninos 0 dicromato su Ifometilados Cromo Adelgazante a

Dicromato 0 cromato de sodio Cromo Control de corrosi6n b

Cromato de zinc Cromo Control de H2S c

Pentaclo rofenol Pentaclorofenol Bactericida d

ArSEmico Arsenico Bactericida d

Lubricante con plomo Lubricaci6n 0 sello para tuber ia Plomo de roscas e

Modificaci6n de la Referencia 20 p543

a Poliacrilato yo poliacrilamida

b Sulfitos fosfonatos y aminas

c Controlador de H2S sin cromo

d Isotiazolinas carbamatos y glutaraldehidos

e Lubricante para tuberias de revestimiento y de perforacicin sin plomo

Desde los anos 30 cuando se usaron en Estados Unidos las primeras cantidades significativas de polimeros organicos en lodos de perforacion 24 el interes por aplicaciones de dichos polimeros en la industria petrolifera crece dia a dia derivando en infinidad de estudios tal como se puede apreciar al haeer una revision no exhaustiva de las publicaeiones de la SPE durante los ultimos 25 anos se ha investigado

IMPACTOAMBIENTA L DE LOS PRJNClPALES LODOS DE PERFORACION 73

intensamente sobre el empleo de polimeros en perforacion2537 fracturamientu38-45 acidificacion46-47 control de produccion de agua48 prevencion de la produccion de

50arena 49- estabilizaci6n de arcillas (para evitar problemas tales como la migracion de finos) 30 5156 control de perdidas de circulacion en operaciones de completamiento y rea condicionamiento de pOZOS57 procesos de recuperacion mejorada58-7 beneficio de otros polfmeros72 construccion de barreras para desechos liquidos de la industria de gas y petroleo73

En el area de perforacion de pozos es especialmente valioso el aporte de los polimeros Se emplean como parte esencial de los fluidos utilizados en ella para mejoramiento de las propiedades reol6gicas y de filtracion impartidas a dichos fluidos por viscosificantes-reductores de filtrado minerales tales como bentonita sub-benton ita y atapulgita actualmente se utilizan con tal proposito almidones procesados gran cantidad de polimeros de cadena larga y mezclas de ellos Aun mas Gray y Darley (24 p54) entre otros autores74 76 comentan y proponen el reemplazo de los viscosificantesshyreductores de filtrado minerales por polimeros y otros investigadores reportan el uso exit9so de sistemas de lodos de perforacion con tal caracterfstica Steiger (30 p 1665) confirma como ventajas de un sistema de fluidos de perforacion sin viscosificantesshyreductores de filtrado minerales (compuesto por agua dulce polimero XC almidon de mafz paraformaldehido celulosa polianionica cloruro e hidroxido de potasio) con respecto a los que sf los contienen una mayor predecibilidad en las propiedades reologicas y de gelatinosidad menores perdidas de filtrado costra mas delgada y firme Con costos moderados este autor logro formular el sistema anterior y con el hizo minimos los problemas relacionados con la perforacion de formaciones inestables Segun Steiger mas de cien pozos en el mundo se han perforado exitosamente con el sistema sin viscosificantes-reductores de filtrado minerales Por su lado Browning y Chesser (25 p1256) estudian otro sistema de lodo de perforacion sin dichos compuestos (conformado basicamente con polimeros organicos) y como ventajas Ie encuentran el efecto adverso minima sobre las formaciones expuestas durante la perforacion de pozos la comunicacion de mayor potencia a la broca la posibilidad de emplear velocidades anulares muy bajas y una limpieza mas eficiente del hoyo entre otras Reportan el empleo exitoso de este sistema en perforaciones de mas de 14000 pies -unos 4267m- de profundidad (en el Condado de Reeves Texas USA) con estabilidad en las propiedades de flujo durante una semana de uso

Entre los polimeros semisinteticos utilizados en el area de perforacion sobresale la CMC por su uso extendido -solo comparable con el del almidon- su versatilidad la abundacia en la naturaleza de la celulosa (material del que se obtiene) y su bajo costa con respecto a otros poifmeros empleados en la industria del petroleo segun Chatterji y Borchardt (23 p2045) solo los precios de las gomas de Guar estan por debajo del correspondiente a la CMC En fluidos de perforacion se utiliza principal mente para suspensi6n de materiales densificantes y como reductor de filtrado en operaciones de empaquetamiento con grava y sellamiento de zonas Iadronas tambien es bastante utilizada (23 p2049) Este polimero es producido por la Industria Nacional de Colombia en tres grados77 (correspondientes a las unidades glucosfdicas presentes en el producto) Grado 1 (viscosidad alta) Grado 2 (viscosidad media) y Grado 3 (viscosidad baja) De estas diferentes calidades se derivarian efectos fundamentales sobre los fluidos en los cuales se emplee la CMC

7- LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACOt

periorabilidad (traducida en menos problemas tecnicos durante toda la perioraci6n En otras palabras men or tiempo total de perioracion y menores costos)

47 Lodos con materiales polimericos

Son aquellos base agua dulce 0 salada que tienen incorporados compuestos quimicos de cadena larga y peso molecular alto (polimeros naturales semisinteticos 0 sinteticos - ver el numeral 52-) compuestos que pueden contribuir (1) al control de perdidas de filtrado y de propiedades reologicas (2) a la estabilidad termica (3) a la resistencia ante contaminantes (4) ala proteccion de las zonas potencial mente productoras (5) a mantener la estabilidad de las formaciones atravesadas (6) a dar lubricidad a la sarta a reducir el torque al cual se ve sometida a prevenir sus pegas y a protegerla en ambientes corrosiv~s (7) a mejorar la periorabilidad (8) a mantener un ambiente limpio etcetera

Entre los materiales polimericos mas usados en las operaciones de perioracion estan el almidon las gomas de Guar Xanthan y de algarrobo la carboximetil-celulosa el lignito la celulosa poliani6nica los poliacrilatos el copolimero de vinil amidav inil sulfonato la poliacrilamida parcialmente hidrolizada los acidos poliaminados la metilshyglucosida

Estos lodos se han constituido desde finales de los arios 80 en una de las mejores alternativas ante los problemas ambientales causados por el uso de los lodos cuya fase continua es aceite

Las desventajas relativas mas prominentes de los lodos con materiales polimericos parecen ser el costo alto y su periorabilidad (en ella son superados por los lodos cuya fase continua es aceite y por aquellos cuya fase continua es material sintetico)

48 Lodos cuya fase continua es material sintetico (producido por sintesis quimica)

Segun definiciones de la EPA citadas por Churan Candler y Freeman 12 estos lodos presentan agua como fase dispersa en materiales producidos por la reaccion de ciertos compuestos purificados quimicamente AI provenir de estos compuestos purificados los materiales sinteticos estarfan Iibres de hidrocarburos aromaticos cosa que no ocurre con las fases continuas tradicionales -el gasoleo (aceite diesel) y los aceites minerales de baja toxicidad- derivadas de aceite crudo mediante procesos de separacion fisica yo reacciones quimicas

Esta nueva clase de lodos -se les denomina Iodos basados en seudoaceite13- posee la mayoria de propiedades de los lodos base aceite -recordemos que estos presentan estabilidad ante temperaturas altas inhibici6n ante shales u otras formaciones sensibles al agua dulce proteccion excelente de la sarta ante elementos corrosiv~s

perdidas de filtrado muy bajas resistencia a contaminantes tales como sales anhidrita y yeso ratas de perioracion altas lubricacion muy buena de la sarta etcetera- y con su uso se podrian disminuir los grandes problemas de contaminacion causados con los lodos cuya fase continua es aceite pero muchos de ellos presentan toxicidad acuatica (ver la seccion 5) Aun asi algunos autores recomiendan estos nuevos lodos como una alternativa al uso de lodos cuya fase continua es aceite

CLASIFICACIO SEGUN COMPO SIC ION DE LOS PRlNCIPALES LaDaS DE PERFORACION 65

IlVIPACTOAMBlliNTAL DE LOS PRINCIPALESLODOS DE PERFORACION

SECCION 5

5 IMPACTO AMBIENTAL DE LOS PRINCIPALES LODOS DE PERFORACI6N12-96

51 Lodos de perforacion y politicas ambientales en el mundo

Conjuntamente el API y la EPA estudiaron los desechos producidos en las operaciones de perforacion e identificaron en ellos arsenico benceno cloruro cadmio cromo+ 6

boro sodio bario penta-clorofenol y plomo los cuales puede n dafiar -algunos gravemente- la salud del hombre y someter a grandes riesgos el ambiente

De tales desechos -recortes de perforacion impregnados de lodo lodos gastados sobrantes de lodos aguas con lubricantes y otras sustancias (tales como las empleadas en limpieza del equipo de perforacion) residuos de las operaciones de cementacion etcetera- la componente mas abundante y toxica corresponde a los lodos de perforacion (sobrantes gastados recortes impregnados)

EI grado de toxicidad de los lodos de perforacion se mide comunmente con la prueba para supervivencia de camarones tipo Mysidopsis Bahia en la cual se determ ina el fndice LCse (concentracion en ppm de la fase de partfculas suspendidas que mata despues de estar expuestos a dicha fase al 50 de los camarones escog idos para la prueba) La Figura 12 ilustra el procedimiento de la prueba En esta se toma un volumen del lodo examinado y se mezcla con nueve volumenes de agua de mar la mezcla se agita durante cinco minutos luego se deja reposar durante una hora La fase Hquida (y cualesquiera partfculas suspendidas en ella) que se separe al finalizar el reposo es la Ilamada fase de partfculas suspendidas y es el toxico a probar EI t~xico es aislado del resto de la mezcla y luego se distribuye en var ios recipientes que contienen agua de mar con camarones de modo que en cada recipiente quede el toxico en una concentracion dada Noventa y seis horas despues se determina el LCso del lodo Entre menor sea el valor del LCso mayor sera la toxicidad del lodo (ver la Tabla 3) Segun Bleier (17 p1192) la EPA prohibe descargar en el Golfo de Mexico lodos y recortes que presenten un LCso menor de 30000 ppm Para Clark (18 p805) tal descarga (se exceptuan los lodos y recortes que contengan aceite completamente prohibidos) esta sujeta a multas

Veamos ahora datos principalmente a la luz de las regulaciones que imperan en el Golfo de Mejico y en el Mar del Norte sobre la toxicidad de los principales lodos de perforacion y de algunos de sus aditivos

TABLA 3 Grados de toxieidad

GRADO VAlORES lC so (ppm)

Praetieamente no taxieo gt10000

Ligeramente taxieo 1000 - 10000

Moderadamente taxieo 100 -1000

Taxieo 1 -100

Muy taxieo lt1

Referencia 16 p476

Conferencia presentada por el autor en el marco del Primer Encuentro Academico de Ingenieria de Petroleos celebrado en Medellin abril de 1999

IMPACTO AMBIENTALDE LOS PRlNClPALES LaDaS DE PERFORACl6N

U+ -7 Mezclar -7 Reposar-7 por5 poruna

minutos hora

i Una parte del

lodo de Perforacion

1 9 (VolumenNolumen)

Nueve partes de Agua Salada

Fase de particulas suspendidas

1 Diluciones Apropiadas

1 96 horas con camarones

Figura 12 Procedimiento para la prueba de supervivencia de camarones tipo Mysidopsis Bahia ( Modificado de la Referencia 17 p1193)

Toxicidad de lodos

Los lodos mas toxicos son los que presentan gasoleo (diesel) 0 petr61eo crudo como fase continua En los Estados Unidos de America esta hoy prohibido descargar en las aguas cualquier tipo de lodo que contenga aceite 0 recortes impregnados con tal lodo En el Mar del Norte y segun Brakel y colaboradores 19 se permitio hasta el primero de enero de 1997 descargar en el mar recortes que incluyeran maximo un 10 en peso de lodos con aceites minerales de baja toxicidad como fase continua Oespues de esa fecha el limite se baJo al 1

Muchos de los lodos cuya fase continua es material sintetico -sugeridos ultimamente como alternativa para disminuir los gran des efectos contaminantes de los lodos con aceite como fase continua- son toxicos (13 p728) Esta toxicidad se ha encontrado especialmente en la segunda generacion de dichos lodos (en tal generacion se usan olefina isomerizada parafina alfa-olefina y alquil-benceno lineales) en la cual tiene puestos hoy sus ojos la industria de exploracion ante los costos altisimos de la primera generacion (usa ester poli-alfa-olefina y eter entre otros compuestos sinteticos) reportada como no toxico (18 p807) No obstante esta ultima consideracion en 1994 no se permitia descargar en el Golfo de Mexico lodos de la primera generacion (Op cit)

70 LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACION

Los odos bajos en s6lidos tipo KClpolimeros que han tenido gran aplicaci6n por su habilidad para resolver la inestabilidad de los pozos por presencia de shales problematicos (situaci6n muy comun en perforaciones costa afuera) son hoy considerados -entre los lodos base agua- como uno de los mas contaminantes (LCso de 27000 ppm para un lodo constituido con 0737 bbl de agua de mar 050 Ibm de eelulosa poli-ani6nica de viscosidad baja 2 Ibm de almid6n 1 Ibm de goma Xanthan 50 Ibm de KCI 285 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidr6xido de potasio) Este

LCso hace prohibitivo el uso de estos lodos en las perforaciones costa afuera en los Estados Unidos aunque en otros lugares del mundo los emplean aun

Los odos dispersos tipo lignosulfonato (can 0 sin lignito) fueron de un uso vasto en operaciones de perforaci6n en tierra y costa afuera hasta mediados de los arias ochenta en los Estados Unidos Era comun que ellignosulfonato empleado contuviera de 2 a 4 en peso de cromo trivalente y algunas veces la estabilidad termica se mejoraba con sales de cromo hexavalente Los lignitos empleados tambien pod ian contener cromo Ademas de este elemento pesado los lodos con lignosulfonato solian ser lubricados con gas61eo (aceite diesel) y no obstante ellos y los recortes impregnados se arrojaban al mar AI final de los ochenta se habia reemplazado por otros lubricantes menos daninos al ambiente y aunque las pruebas de toxicidad no han indicado un efecto adverso para el ambiente por la presencia del cromo han sido realizadas investigaciones y pruebas numerosas para reducir el cromo en los lignosulfonatos yo reemplazarlo por otros cationes tambien han sido desarrollados varios dispersantes con el fin de sustituir todos los lignosulfonatos

Los odos no dispersos y los odos primarios se encuentran entre los menos t6xicos LC50 mayor de 1 000000 ppm para un lodo configurado con 13 Ibm de bentonita 0857 bbl de agua dulce 050 Ibm de ampliador del rendimiento de la bentonita 025 Ibm de poliacrilato de sodio y 191 Ibm de barita igual valor de LC para un lodo constituido so par 125 Ibm de bentonita 0477 bbl de agua de mar 0477 bbl de agua dulce 0 5 Ibm de cal apagada 50 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidr6xido de sodio

Con respecto a los odos con materiaes polimericos puede decirse que no son t6xicos mayor de 1 000000 para un lodo constituido con 025 Ibm de CMC 050 LC50 Ibm de celulosa poli-ani6nica de viscosidad normal 20 Ibm de bentonita 20 Ibm de barita pH de 95 (ajustado con hidr6xido de sodio) y sendas porciones (0483 bbl) de agua de mar y de agua dulce Actualmente se les puede considerar como una buena

de 516000 ppm para un lodo constituido con 15 Ibm de lignosulfonato de cramo 10 Ibm LCso de lignito 30 Ibm de atapulgita 0643 bbl de agua de mar 025 Ibm de celulosa poli-anionica de viscosidad normal 475 Ibm de barita y pH de 11 ajustado con hidr6xido de sodio LC deso 293000 ppm para un lodo formado con 15 Ibm de lignosulfonato de eramo 10 Ibm de lignito 15 Ibm de benton ita 0649 bbl de agua dulce 025 Ibm de CMC 1 Ibm de carbonato acido de sodio (NaHC03) 490 Ibm de barita y pH de 105 ajustado con hidroxido de sodio LC deso 654000 ppm para un lodo configurado por 5 Ibm de lignosulfonato de eramo 3 Ibm de lignito 20 Ibm de bentonita 0851 bbl de agua dulce 050 Ibm de CMC 1 Ibm de carbonato de sodio (Na2C0 3) 179 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidroxido de sodio LC de 163000 ppmso para un lodo constituido por 15 Ibm de lignosulfonato de cromo 8 Ibm de lignito 20 Ibm de bentonita 0737 bbl de agua dulce 5 Ibm de cal apagada 282 Ibm de barita y pH de 12 ajustado con hidr6xido de sodio

IMPACTOAMBIENTAL DE LOS PRlNClPALES LODOS DE PERFORACION 7l

72

alternativa para el uso de lodos con cloruro de potasio de lodos cuya fase continua es aceite y de los lodos con lignosulfonatos A los primeros los lodos con polimeros los han reemplazado en las operaciones de perforacion que involucran inestabilidad del pozo por la presencia de shales problematicos realizadas en el Golfo de Mexico con los segundos compiten en la gran mayo ria de caracteristicas tecnicas -excepto quiz8S en la perforabilidad- y con respecto a los ultimos operan a pH mas bajos cond ici 6n que parece reducir la desintegracion de recortes Ademas de reemplazar materia les y lodos altamente t6xicos los lodos con materiales polimericos -al disminuir la desintegracion de recortes y estabilizar el hoyo- rebajan el volumen de lodo y de re cortes que se tendran que procesar y descartar durante yo despues de la perforacion (ver el numeral 53) contribuyendo aun mas a mantener limpio nuestro ambiente

Finalmenie se puede decir que los lodos que hoy se proponen como una alternativa al uso de fluidos neumiWcos tienen efectos minimos sobre el ambiente segun 10 reportado por Medley y colaboradores (15 p1211) en una ponencia presentada en la Conferencia y Exhibicion Tecnica y Anual de la SPE

Toxicidad de aditivos

Debe resaltarse que los aditivos mas peligrosos que se han usado en lodos de perforacion -asbesto (para mejorar la capacidad de remocion de recortes) fenoles clorinados (Iubricantes) y sales de cromo hexavalente (estabilizador termico)- estan totalmente prohibidos hoy todos han sido reemplazados por otros aditivos que exhiben muy buen desemperio tecnico y que no contaminan Otros reactivos tales como el estearato de aluminio antiespumante muy utilizado y que requeria ser aplicado con gasoleo (aceite diesel) ha sido sustituido por adit ivos menos toxicos (derivados de alcoholes 0 esteres por ejemplo) En el area de densificantes la barita continua como uno de los mas utilizados pero han aumentado las exigencias sobre su calidad la usada en los lodos que quieran ser vertidos en el Golfo de Mejico no pueden contener mas de 1 mgkg de mercurio ni mas de 3 mgkg de cadmio

Muchos lubricantes que dariaban grandemente el ambiente (en su mayo ria derivados del petroleo) han sido reemplazados por derivados de gliceroles y de glicoles asi como por aceites vegetales y sus derivados entre otros compuestos no toxicos

Finalmente el paraformaldehido -corrientemente utilizado como bactericida para proteger aditivos polimericos naturales y que se descompone en formaldehido (toxico)shyha sido sustituido por glutaraldehido e isotiazolinas mucho menos toxicos La Tabla 4 muestra otros aditivos t6xicos y los sustitutos sugeridos

Medidas tomadas y su internacionalizacion

La preocupacion mundial por el impacto ambiental de las operaciones de exploraci6n y producci6n de hidrocarburos ha lIevado a celebrar reuniones y acuerdos internacionales para crear y aplicar de modo concertado normas para proteccion ambiental (ver las Referencias 21 y 22) Ante unas regulaciones ambientales cada vez mas presentes en las legislaciones nacionales regionales e internacionales y cada dia mas estrictas la industria petrolera en general y la de perforacion en particular se ha dedicado a buscar alternativas para disminuir el impacto ambiental de sus operaciones En el area de los lodos de perforacion dos han sido los caminos principales (1) Reduccion de toxicidad de los lodos y sus aditivos En este campo los materiales polimericos

LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACJON

juegan un papel estelar -ver el numeral 52- (2) Reduccion de los volumenes de desechos de lodos (ver el numeral 53) aqui tambien intervienen los materiales polimericos

52 Los materiales polimericos y su importancia en las operaciones de perforacion Lodos base agua y materiales polimericos contra lodos cuya fase continua es aceite

Los polimeros organicos y solubles en agua son los que han ten ido mas ap licacion en la industria del petroleo Estos polimeros son normalmente clasificados segun los monomeros constituyentes como homopoiimeros (sus monomeros son de igua l constitucion quimica) y copolimeros (con dos 0 mas tipos de monomeros) Segu n su origen pueden ser naturales -almidon goma de Guar (Cyanopsis Psoralioides ) goma de Xanthan goma de algarrobo- semisinteticos (carboximetil-celulosa derivados de almidon derivados de las gomas naturales) 0 sinteticos (copolimeros de acrilam ida por ejemplo )23

TABLA 4 Algunos aditivos tcixicos y sus sustitutos

ADITIVO TOXICO usa SUSTITUTO

Lignosulfonato 0 lignito de cromo Cromo Adelgazante a

Taninos 0 dicromato su Ifometilados Cromo Adelgazante a

Dicromato 0 cromato de sodio Cromo Control de corrosi6n b

Cromato de zinc Cromo Control de H2S c

Pentaclo rofenol Pentaclorofenol Bactericida d

ArSEmico Arsenico Bactericida d

Lubricante con plomo Lubricaci6n 0 sello para tuber ia Plomo de roscas e

Modificaci6n de la Referencia 20 p543

a Poliacrilato yo poliacrilamida

b Sulfitos fosfonatos y aminas

c Controlador de H2S sin cromo

d Isotiazolinas carbamatos y glutaraldehidos

e Lubricante para tuberias de revestimiento y de perforacicin sin plomo

Desde los anos 30 cuando se usaron en Estados Unidos las primeras cantidades significativas de polimeros organicos en lodos de perforacion 24 el interes por aplicaciones de dichos polimeros en la industria petrolifera crece dia a dia derivando en infinidad de estudios tal como se puede apreciar al haeer una revision no exhaustiva de las publicaeiones de la SPE durante los ultimos 25 anos se ha investigado

IMPACTOAMBIENTA L DE LOS PRJNClPALES LODOS DE PERFORACION 73

intensamente sobre el empleo de polimeros en perforacion2537 fracturamientu38-45 acidificacion46-47 control de produccion de agua48 prevencion de la produccion de

50arena 49- estabilizaci6n de arcillas (para evitar problemas tales como la migracion de finos) 30 5156 control de perdidas de circulacion en operaciones de completamiento y rea condicionamiento de pOZOS57 procesos de recuperacion mejorada58-7 beneficio de otros polfmeros72 construccion de barreras para desechos liquidos de la industria de gas y petroleo73

En el area de perforacion de pozos es especialmente valioso el aporte de los polimeros Se emplean como parte esencial de los fluidos utilizados en ella para mejoramiento de las propiedades reol6gicas y de filtracion impartidas a dichos fluidos por viscosificantes-reductores de filtrado minerales tales como bentonita sub-benton ita y atapulgita actualmente se utilizan con tal proposito almidones procesados gran cantidad de polimeros de cadena larga y mezclas de ellos Aun mas Gray y Darley (24 p54) entre otros autores74 76 comentan y proponen el reemplazo de los viscosificantesshyreductores de filtrado minerales por polimeros y otros investigadores reportan el uso exit9so de sistemas de lodos de perforacion con tal caracterfstica Steiger (30 p 1665) confirma como ventajas de un sistema de fluidos de perforacion sin viscosificantesshyreductores de filtrado minerales (compuesto por agua dulce polimero XC almidon de mafz paraformaldehido celulosa polianionica cloruro e hidroxido de potasio) con respecto a los que sf los contienen una mayor predecibilidad en las propiedades reologicas y de gelatinosidad menores perdidas de filtrado costra mas delgada y firme Con costos moderados este autor logro formular el sistema anterior y con el hizo minimos los problemas relacionados con la perforacion de formaciones inestables Segun Steiger mas de cien pozos en el mundo se han perforado exitosamente con el sistema sin viscosificantes-reductores de filtrado minerales Por su lado Browning y Chesser (25 p1256) estudian otro sistema de lodo de perforacion sin dichos compuestos (conformado basicamente con polimeros organicos) y como ventajas Ie encuentran el efecto adverso minima sobre las formaciones expuestas durante la perforacion de pozos la comunicacion de mayor potencia a la broca la posibilidad de emplear velocidades anulares muy bajas y una limpieza mas eficiente del hoyo entre otras Reportan el empleo exitoso de este sistema en perforaciones de mas de 14000 pies -unos 4267m- de profundidad (en el Condado de Reeves Texas USA) con estabilidad en las propiedades de flujo durante una semana de uso

Entre los polimeros semisinteticos utilizados en el area de perforacion sobresale la CMC por su uso extendido -solo comparable con el del almidon- su versatilidad la abundacia en la naturaleza de la celulosa (material del que se obtiene) y su bajo costa con respecto a otros poifmeros empleados en la industria del petroleo segun Chatterji y Borchardt (23 p2045) solo los precios de las gomas de Guar estan por debajo del correspondiente a la CMC En fluidos de perforacion se utiliza principal mente para suspensi6n de materiales densificantes y como reductor de filtrado en operaciones de empaquetamiento con grava y sellamiento de zonas Iadronas tambien es bastante utilizada (23 p2049) Este polimero es producido por la Industria Nacional de Colombia en tres grados77 (correspondientes a las unidades glucosfdicas presentes en el producto) Grado 1 (viscosidad alta) Grado 2 (viscosidad media) y Grado 3 (viscosidad baja) De estas diferentes calidades se derivarian efectos fundamentales sobre los fluidos en los cuales se emplee la CMC

7- LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACOt

IlVIPACTOAMBlliNTAL DE LOS PRINCIPALESLODOS DE PERFORACION

SECCION 5

5 IMPACTO AMBIENTAL DE LOS PRINCIPALES LODOS DE PERFORACI6N12-96

51 Lodos de perforacion y politicas ambientales en el mundo

Conjuntamente el API y la EPA estudiaron los desechos producidos en las operaciones de perforacion e identificaron en ellos arsenico benceno cloruro cadmio cromo+ 6

boro sodio bario penta-clorofenol y plomo los cuales puede n dafiar -algunos gravemente- la salud del hombre y someter a grandes riesgos el ambiente

De tales desechos -recortes de perforacion impregnados de lodo lodos gastados sobrantes de lodos aguas con lubricantes y otras sustancias (tales como las empleadas en limpieza del equipo de perforacion) residuos de las operaciones de cementacion etcetera- la componente mas abundante y toxica corresponde a los lodos de perforacion (sobrantes gastados recortes impregnados)

EI grado de toxicidad de los lodos de perforacion se mide comunmente con la prueba para supervivencia de camarones tipo Mysidopsis Bahia en la cual se determ ina el fndice LCse (concentracion en ppm de la fase de partfculas suspendidas que mata despues de estar expuestos a dicha fase al 50 de los camarones escog idos para la prueba) La Figura 12 ilustra el procedimiento de la prueba En esta se toma un volumen del lodo examinado y se mezcla con nueve volumenes de agua de mar la mezcla se agita durante cinco minutos luego se deja reposar durante una hora La fase Hquida (y cualesquiera partfculas suspendidas en ella) que se separe al finalizar el reposo es la Ilamada fase de partfculas suspendidas y es el toxico a probar EI t~xico es aislado del resto de la mezcla y luego se distribuye en var ios recipientes que contienen agua de mar con camarones de modo que en cada recipiente quede el toxico en una concentracion dada Noventa y seis horas despues se determina el LCso del lodo Entre menor sea el valor del LCso mayor sera la toxicidad del lodo (ver la Tabla 3) Segun Bleier (17 p1192) la EPA prohibe descargar en el Golfo de Mexico lodos y recortes que presenten un LCso menor de 30000 ppm Para Clark (18 p805) tal descarga (se exceptuan los lodos y recortes que contengan aceite completamente prohibidos) esta sujeta a multas

Veamos ahora datos principalmente a la luz de las regulaciones que imperan en el Golfo de Mejico y en el Mar del Norte sobre la toxicidad de los principales lodos de perforacion y de algunos de sus aditivos

TABLA 3 Grados de toxieidad

GRADO VAlORES lC so (ppm)

Praetieamente no taxieo gt10000

Ligeramente taxieo 1000 - 10000

Moderadamente taxieo 100 -1000

Taxieo 1 -100

Muy taxieo lt1

Referencia 16 p476

Conferencia presentada por el autor en el marco del Primer Encuentro Academico de Ingenieria de Petroleos celebrado en Medellin abril de 1999

IMPACTO AMBIENTALDE LOS PRlNClPALES LaDaS DE PERFORACl6N

U+ -7 Mezclar -7 Reposar-7 por5 poruna

minutos hora

i Una parte del

lodo de Perforacion

1 9 (VolumenNolumen)

Nueve partes de Agua Salada

Fase de particulas suspendidas

1 Diluciones Apropiadas

1 96 horas con camarones

Figura 12 Procedimiento para la prueba de supervivencia de camarones tipo Mysidopsis Bahia ( Modificado de la Referencia 17 p1193)

Toxicidad de lodos

Los lodos mas toxicos son los que presentan gasoleo (diesel) 0 petr61eo crudo como fase continua En los Estados Unidos de America esta hoy prohibido descargar en las aguas cualquier tipo de lodo que contenga aceite 0 recortes impregnados con tal lodo En el Mar del Norte y segun Brakel y colaboradores 19 se permitio hasta el primero de enero de 1997 descargar en el mar recortes que incluyeran maximo un 10 en peso de lodos con aceites minerales de baja toxicidad como fase continua Oespues de esa fecha el limite se baJo al 1

Muchos de los lodos cuya fase continua es material sintetico -sugeridos ultimamente como alternativa para disminuir los gran des efectos contaminantes de los lodos con aceite como fase continua- son toxicos (13 p728) Esta toxicidad se ha encontrado especialmente en la segunda generacion de dichos lodos (en tal generacion se usan olefina isomerizada parafina alfa-olefina y alquil-benceno lineales) en la cual tiene puestos hoy sus ojos la industria de exploracion ante los costos altisimos de la primera generacion (usa ester poli-alfa-olefina y eter entre otros compuestos sinteticos) reportada como no toxico (18 p807) No obstante esta ultima consideracion en 1994 no se permitia descargar en el Golfo de Mexico lodos de la primera generacion (Op cit)

70 LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACION

Los odos bajos en s6lidos tipo KClpolimeros que han tenido gran aplicaci6n por su habilidad para resolver la inestabilidad de los pozos por presencia de shales problematicos (situaci6n muy comun en perforaciones costa afuera) son hoy considerados -entre los lodos base agua- como uno de los mas contaminantes (LCso de 27000 ppm para un lodo constituido con 0737 bbl de agua de mar 050 Ibm de eelulosa poli-ani6nica de viscosidad baja 2 Ibm de almid6n 1 Ibm de goma Xanthan 50 Ibm de KCI 285 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidr6xido de potasio) Este

LCso hace prohibitivo el uso de estos lodos en las perforaciones costa afuera en los Estados Unidos aunque en otros lugares del mundo los emplean aun

Los odos dispersos tipo lignosulfonato (can 0 sin lignito) fueron de un uso vasto en operaciones de perforaci6n en tierra y costa afuera hasta mediados de los arias ochenta en los Estados Unidos Era comun que ellignosulfonato empleado contuviera de 2 a 4 en peso de cromo trivalente y algunas veces la estabilidad termica se mejoraba con sales de cromo hexavalente Los lignitos empleados tambien pod ian contener cromo Ademas de este elemento pesado los lodos con lignosulfonato solian ser lubricados con gas61eo (aceite diesel) y no obstante ellos y los recortes impregnados se arrojaban al mar AI final de los ochenta se habia reemplazado por otros lubricantes menos daninos al ambiente y aunque las pruebas de toxicidad no han indicado un efecto adverso para el ambiente por la presencia del cromo han sido realizadas investigaciones y pruebas numerosas para reducir el cromo en los lignosulfonatos yo reemplazarlo por otros cationes tambien han sido desarrollados varios dispersantes con el fin de sustituir todos los lignosulfonatos

Los odos no dispersos y los odos primarios se encuentran entre los menos t6xicos LC50 mayor de 1 000000 ppm para un lodo configurado con 13 Ibm de bentonita 0857 bbl de agua dulce 050 Ibm de ampliador del rendimiento de la bentonita 025 Ibm de poliacrilato de sodio y 191 Ibm de barita igual valor de LC para un lodo constituido so par 125 Ibm de bentonita 0477 bbl de agua de mar 0477 bbl de agua dulce 0 5 Ibm de cal apagada 50 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidr6xido de sodio

Con respecto a los odos con materiaes polimericos puede decirse que no son t6xicos mayor de 1 000000 para un lodo constituido con 025 Ibm de CMC 050 LC50 Ibm de celulosa poli-ani6nica de viscosidad normal 20 Ibm de bentonita 20 Ibm de barita pH de 95 (ajustado con hidr6xido de sodio) y sendas porciones (0483 bbl) de agua de mar y de agua dulce Actualmente se les puede considerar como una buena

de 516000 ppm para un lodo constituido con 15 Ibm de lignosulfonato de cramo 10 Ibm LCso de lignito 30 Ibm de atapulgita 0643 bbl de agua de mar 025 Ibm de celulosa poli-anionica de viscosidad normal 475 Ibm de barita y pH de 11 ajustado con hidr6xido de sodio LC deso 293000 ppm para un lodo formado con 15 Ibm de lignosulfonato de eramo 10 Ibm de lignito 15 Ibm de benton ita 0649 bbl de agua dulce 025 Ibm de CMC 1 Ibm de carbonato acido de sodio (NaHC03) 490 Ibm de barita y pH de 105 ajustado con hidroxido de sodio LC deso 654000 ppm para un lodo configurado por 5 Ibm de lignosulfonato de eramo 3 Ibm de lignito 20 Ibm de bentonita 0851 bbl de agua dulce 050 Ibm de CMC 1 Ibm de carbonato de sodio (Na2C0 3) 179 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidroxido de sodio LC de 163000 ppmso para un lodo constituido por 15 Ibm de lignosulfonato de cromo 8 Ibm de lignito 20 Ibm de bentonita 0737 bbl de agua dulce 5 Ibm de cal apagada 282 Ibm de barita y pH de 12 ajustado con hidr6xido de sodio

IMPACTOAMBIENTAL DE LOS PRlNClPALES LODOS DE PERFORACION 7l

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alternativa para el uso de lodos con cloruro de potasio de lodos cuya fase continua es aceite y de los lodos con lignosulfonatos A los primeros los lodos con polimeros los han reemplazado en las operaciones de perforacion que involucran inestabilidad del pozo por la presencia de shales problematicos realizadas en el Golfo de Mexico con los segundos compiten en la gran mayo ria de caracteristicas tecnicas -excepto quiz8S en la perforabilidad- y con respecto a los ultimos operan a pH mas bajos cond ici 6n que parece reducir la desintegracion de recortes Ademas de reemplazar materia les y lodos altamente t6xicos los lodos con materiales polimericos -al disminuir la desintegracion de recortes y estabilizar el hoyo- rebajan el volumen de lodo y de re cortes que se tendran que procesar y descartar durante yo despues de la perforacion (ver el numeral 53) contribuyendo aun mas a mantener limpio nuestro ambiente

Finalmenie se puede decir que los lodos que hoy se proponen como una alternativa al uso de fluidos neumiWcos tienen efectos minimos sobre el ambiente segun 10 reportado por Medley y colaboradores (15 p1211) en una ponencia presentada en la Conferencia y Exhibicion Tecnica y Anual de la SPE

Toxicidad de aditivos

Debe resaltarse que los aditivos mas peligrosos que se han usado en lodos de perforacion -asbesto (para mejorar la capacidad de remocion de recortes) fenoles clorinados (Iubricantes) y sales de cromo hexavalente (estabilizador termico)- estan totalmente prohibidos hoy todos han sido reemplazados por otros aditivos que exhiben muy buen desemperio tecnico y que no contaminan Otros reactivos tales como el estearato de aluminio antiespumante muy utilizado y que requeria ser aplicado con gasoleo (aceite diesel) ha sido sustituido por adit ivos menos toxicos (derivados de alcoholes 0 esteres por ejemplo) En el area de densificantes la barita continua como uno de los mas utilizados pero han aumentado las exigencias sobre su calidad la usada en los lodos que quieran ser vertidos en el Golfo de Mejico no pueden contener mas de 1 mgkg de mercurio ni mas de 3 mgkg de cadmio

Muchos lubricantes que dariaban grandemente el ambiente (en su mayo ria derivados del petroleo) han sido reemplazados por derivados de gliceroles y de glicoles asi como por aceites vegetales y sus derivados entre otros compuestos no toxicos

Finalmente el paraformaldehido -corrientemente utilizado como bactericida para proteger aditivos polimericos naturales y que se descompone en formaldehido (toxico)shyha sido sustituido por glutaraldehido e isotiazolinas mucho menos toxicos La Tabla 4 muestra otros aditivos t6xicos y los sustitutos sugeridos

Medidas tomadas y su internacionalizacion

La preocupacion mundial por el impacto ambiental de las operaciones de exploraci6n y producci6n de hidrocarburos ha lIevado a celebrar reuniones y acuerdos internacionales para crear y aplicar de modo concertado normas para proteccion ambiental (ver las Referencias 21 y 22) Ante unas regulaciones ambientales cada vez mas presentes en las legislaciones nacionales regionales e internacionales y cada dia mas estrictas la industria petrolera en general y la de perforacion en particular se ha dedicado a buscar alternativas para disminuir el impacto ambiental de sus operaciones En el area de los lodos de perforacion dos han sido los caminos principales (1) Reduccion de toxicidad de los lodos y sus aditivos En este campo los materiales polimericos

LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACJON

juegan un papel estelar -ver el numeral 52- (2) Reduccion de los volumenes de desechos de lodos (ver el numeral 53) aqui tambien intervienen los materiales polimericos

52 Los materiales polimericos y su importancia en las operaciones de perforacion Lodos base agua y materiales polimericos contra lodos cuya fase continua es aceite

Los polimeros organicos y solubles en agua son los que han ten ido mas ap licacion en la industria del petroleo Estos polimeros son normalmente clasificados segun los monomeros constituyentes como homopoiimeros (sus monomeros son de igua l constitucion quimica) y copolimeros (con dos 0 mas tipos de monomeros) Segu n su origen pueden ser naturales -almidon goma de Guar (Cyanopsis Psoralioides ) goma de Xanthan goma de algarrobo- semisinteticos (carboximetil-celulosa derivados de almidon derivados de las gomas naturales) 0 sinteticos (copolimeros de acrilam ida por ejemplo )23

TABLA 4 Algunos aditivos tcixicos y sus sustitutos

ADITIVO TOXICO usa SUSTITUTO

Lignosulfonato 0 lignito de cromo Cromo Adelgazante a

Taninos 0 dicromato su Ifometilados Cromo Adelgazante a

Dicromato 0 cromato de sodio Cromo Control de corrosi6n b

Cromato de zinc Cromo Control de H2S c

Pentaclo rofenol Pentaclorofenol Bactericida d

ArSEmico Arsenico Bactericida d

Lubricante con plomo Lubricaci6n 0 sello para tuber ia Plomo de roscas e

Modificaci6n de la Referencia 20 p543

a Poliacrilato yo poliacrilamida

b Sulfitos fosfonatos y aminas

c Controlador de H2S sin cromo

d Isotiazolinas carbamatos y glutaraldehidos

e Lubricante para tuberias de revestimiento y de perforacicin sin plomo

Desde los anos 30 cuando se usaron en Estados Unidos las primeras cantidades significativas de polimeros organicos en lodos de perforacion 24 el interes por aplicaciones de dichos polimeros en la industria petrolifera crece dia a dia derivando en infinidad de estudios tal como se puede apreciar al haeer una revision no exhaustiva de las publicaeiones de la SPE durante los ultimos 25 anos se ha investigado

IMPACTOAMBIENTA L DE LOS PRJNClPALES LODOS DE PERFORACION 73

intensamente sobre el empleo de polimeros en perforacion2537 fracturamientu38-45 acidificacion46-47 control de produccion de agua48 prevencion de la produccion de

50arena 49- estabilizaci6n de arcillas (para evitar problemas tales como la migracion de finos) 30 5156 control de perdidas de circulacion en operaciones de completamiento y rea condicionamiento de pOZOS57 procesos de recuperacion mejorada58-7 beneficio de otros polfmeros72 construccion de barreras para desechos liquidos de la industria de gas y petroleo73

En el area de perforacion de pozos es especialmente valioso el aporte de los polimeros Se emplean como parte esencial de los fluidos utilizados en ella para mejoramiento de las propiedades reol6gicas y de filtracion impartidas a dichos fluidos por viscosificantes-reductores de filtrado minerales tales como bentonita sub-benton ita y atapulgita actualmente se utilizan con tal proposito almidones procesados gran cantidad de polimeros de cadena larga y mezclas de ellos Aun mas Gray y Darley (24 p54) entre otros autores74 76 comentan y proponen el reemplazo de los viscosificantesshyreductores de filtrado minerales por polimeros y otros investigadores reportan el uso exit9so de sistemas de lodos de perforacion con tal caracterfstica Steiger (30 p 1665) confirma como ventajas de un sistema de fluidos de perforacion sin viscosificantesshyreductores de filtrado minerales (compuesto por agua dulce polimero XC almidon de mafz paraformaldehido celulosa polianionica cloruro e hidroxido de potasio) con respecto a los que sf los contienen una mayor predecibilidad en las propiedades reologicas y de gelatinosidad menores perdidas de filtrado costra mas delgada y firme Con costos moderados este autor logro formular el sistema anterior y con el hizo minimos los problemas relacionados con la perforacion de formaciones inestables Segun Steiger mas de cien pozos en el mundo se han perforado exitosamente con el sistema sin viscosificantes-reductores de filtrado minerales Por su lado Browning y Chesser (25 p1256) estudian otro sistema de lodo de perforacion sin dichos compuestos (conformado basicamente con polimeros organicos) y como ventajas Ie encuentran el efecto adverso minima sobre las formaciones expuestas durante la perforacion de pozos la comunicacion de mayor potencia a la broca la posibilidad de emplear velocidades anulares muy bajas y una limpieza mas eficiente del hoyo entre otras Reportan el empleo exitoso de este sistema en perforaciones de mas de 14000 pies -unos 4267m- de profundidad (en el Condado de Reeves Texas USA) con estabilidad en las propiedades de flujo durante una semana de uso

Entre los polimeros semisinteticos utilizados en el area de perforacion sobresale la CMC por su uso extendido -solo comparable con el del almidon- su versatilidad la abundacia en la naturaleza de la celulosa (material del que se obtiene) y su bajo costa con respecto a otros poifmeros empleados en la industria del petroleo segun Chatterji y Borchardt (23 p2045) solo los precios de las gomas de Guar estan por debajo del correspondiente a la CMC En fluidos de perforacion se utiliza principal mente para suspensi6n de materiales densificantes y como reductor de filtrado en operaciones de empaquetamiento con grava y sellamiento de zonas Iadronas tambien es bastante utilizada (23 p2049) Este polimero es producido por la Industria Nacional de Colombia en tres grados77 (correspondientes a las unidades glucosfdicas presentes en el producto) Grado 1 (viscosidad alta) Grado 2 (viscosidad media) y Grado 3 (viscosidad baja) De estas diferentes calidades se derivarian efectos fundamentales sobre los fluidos en los cuales se emplee la CMC

7- LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACOt

5 IMPACTO AMBIENTAL DE LOS PRINCIPALES LODOS DE PERFORACI6N12-96

51 Lodos de perforacion y politicas ambientales en el mundo

Conjuntamente el API y la EPA estudiaron los desechos producidos en las operaciones de perforacion e identificaron en ellos arsenico benceno cloruro cadmio cromo+ 6

boro sodio bario penta-clorofenol y plomo los cuales puede n dafiar -algunos gravemente- la salud del hombre y someter a grandes riesgos el ambiente

De tales desechos -recortes de perforacion impregnados de lodo lodos gastados sobrantes de lodos aguas con lubricantes y otras sustancias (tales como las empleadas en limpieza del equipo de perforacion) residuos de las operaciones de cementacion etcetera- la componente mas abundante y toxica corresponde a los lodos de perforacion (sobrantes gastados recortes impregnados)

EI grado de toxicidad de los lodos de perforacion se mide comunmente con la prueba para supervivencia de camarones tipo Mysidopsis Bahia en la cual se determ ina el fndice LCse (concentracion en ppm de la fase de partfculas suspendidas que mata despues de estar expuestos a dicha fase al 50 de los camarones escog idos para la prueba) La Figura 12 ilustra el procedimiento de la prueba En esta se toma un volumen del lodo examinado y se mezcla con nueve volumenes de agua de mar la mezcla se agita durante cinco minutos luego se deja reposar durante una hora La fase Hquida (y cualesquiera partfculas suspendidas en ella) que se separe al finalizar el reposo es la Ilamada fase de partfculas suspendidas y es el toxico a probar EI t~xico es aislado del resto de la mezcla y luego se distribuye en var ios recipientes que contienen agua de mar con camarones de modo que en cada recipiente quede el toxico en una concentracion dada Noventa y seis horas despues se determina el LCso del lodo Entre menor sea el valor del LCso mayor sera la toxicidad del lodo (ver la Tabla 3) Segun Bleier (17 p1192) la EPA prohibe descargar en el Golfo de Mexico lodos y recortes que presenten un LCso menor de 30000 ppm Para Clark (18 p805) tal descarga (se exceptuan los lodos y recortes que contengan aceite completamente prohibidos) esta sujeta a multas

Veamos ahora datos principalmente a la luz de las regulaciones que imperan en el Golfo de Mejico y en el Mar del Norte sobre la toxicidad de los principales lodos de perforacion y de algunos de sus aditivos

TABLA 3 Grados de toxieidad

GRADO VAlORES lC so (ppm)

Praetieamente no taxieo gt10000

Ligeramente taxieo 1000 - 10000

Moderadamente taxieo 100 -1000

Taxieo 1 -100

Muy taxieo lt1

Referencia 16 p476

Conferencia presentada por el autor en el marco del Primer Encuentro Academico de Ingenieria de Petroleos celebrado en Medellin abril de 1999

IMPACTO AMBIENTALDE LOS PRlNClPALES LaDaS DE PERFORACl6N

U+ -7 Mezclar -7 Reposar-7 por5 poruna

minutos hora

i Una parte del

lodo de Perforacion

1 9 (VolumenNolumen)

Nueve partes de Agua Salada

Fase de particulas suspendidas

1 Diluciones Apropiadas

1 96 horas con camarones

Figura 12 Procedimiento para la prueba de supervivencia de camarones tipo Mysidopsis Bahia ( Modificado de la Referencia 17 p1193)

Toxicidad de lodos

Los lodos mas toxicos son los que presentan gasoleo (diesel) 0 petr61eo crudo como fase continua En los Estados Unidos de America esta hoy prohibido descargar en las aguas cualquier tipo de lodo que contenga aceite 0 recortes impregnados con tal lodo En el Mar del Norte y segun Brakel y colaboradores 19 se permitio hasta el primero de enero de 1997 descargar en el mar recortes que incluyeran maximo un 10 en peso de lodos con aceites minerales de baja toxicidad como fase continua Oespues de esa fecha el limite se baJo al 1

Muchos de los lodos cuya fase continua es material sintetico -sugeridos ultimamente como alternativa para disminuir los gran des efectos contaminantes de los lodos con aceite como fase continua- son toxicos (13 p728) Esta toxicidad se ha encontrado especialmente en la segunda generacion de dichos lodos (en tal generacion se usan olefina isomerizada parafina alfa-olefina y alquil-benceno lineales) en la cual tiene puestos hoy sus ojos la industria de exploracion ante los costos altisimos de la primera generacion (usa ester poli-alfa-olefina y eter entre otros compuestos sinteticos) reportada como no toxico (18 p807) No obstante esta ultima consideracion en 1994 no se permitia descargar en el Golfo de Mexico lodos de la primera generacion (Op cit)

70 LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACION

Los odos bajos en s6lidos tipo KClpolimeros que han tenido gran aplicaci6n por su habilidad para resolver la inestabilidad de los pozos por presencia de shales problematicos (situaci6n muy comun en perforaciones costa afuera) son hoy considerados -entre los lodos base agua- como uno de los mas contaminantes (LCso de 27000 ppm para un lodo constituido con 0737 bbl de agua de mar 050 Ibm de eelulosa poli-ani6nica de viscosidad baja 2 Ibm de almid6n 1 Ibm de goma Xanthan 50 Ibm de KCI 285 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidr6xido de potasio) Este

LCso hace prohibitivo el uso de estos lodos en las perforaciones costa afuera en los Estados Unidos aunque en otros lugares del mundo los emplean aun

Los odos dispersos tipo lignosulfonato (can 0 sin lignito) fueron de un uso vasto en operaciones de perforaci6n en tierra y costa afuera hasta mediados de los arias ochenta en los Estados Unidos Era comun que ellignosulfonato empleado contuviera de 2 a 4 en peso de cromo trivalente y algunas veces la estabilidad termica se mejoraba con sales de cromo hexavalente Los lignitos empleados tambien pod ian contener cromo Ademas de este elemento pesado los lodos con lignosulfonato solian ser lubricados con gas61eo (aceite diesel) y no obstante ellos y los recortes impregnados se arrojaban al mar AI final de los ochenta se habia reemplazado por otros lubricantes menos daninos al ambiente y aunque las pruebas de toxicidad no han indicado un efecto adverso para el ambiente por la presencia del cromo han sido realizadas investigaciones y pruebas numerosas para reducir el cromo en los lignosulfonatos yo reemplazarlo por otros cationes tambien han sido desarrollados varios dispersantes con el fin de sustituir todos los lignosulfonatos

Los odos no dispersos y los odos primarios se encuentran entre los menos t6xicos LC50 mayor de 1 000000 ppm para un lodo configurado con 13 Ibm de bentonita 0857 bbl de agua dulce 050 Ibm de ampliador del rendimiento de la bentonita 025 Ibm de poliacrilato de sodio y 191 Ibm de barita igual valor de LC para un lodo constituido so par 125 Ibm de bentonita 0477 bbl de agua de mar 0477 bbl de agua dulce 0 5 Ibm de cal apagada 50 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidr6xido de sodio

Con respecto a los odos con materiaes polimericos puede decirse que no son t6xicos mayor de 1 000000 para un lodo constituido con 025 Ibm de CMC 050 LC50 Ibm de celulosa poli-ani6nica de viscosidad normal 20 Ibm de bentonita 20 Ibm de barita pH de 95 (ajustado con hidr6xido de sodio) y sendas porciones (0483 bbl) de agua de mar y de agua dulce Actualmente se les puede considerar como una buena

de 516000 ppm para un lodo constituido con 15 Ibm de lignosulfonato de cramo 10 Ibm LCso de lignito 30 Ibm de atapulgita 0643 bbl de agua de mar 025 Ibm de celulosa poli-anionica de viscosidad normal 475 Ibm de barita y pH de 11 ajustado con hidr6xido de sodio LC deso 293000 ppm para un lodo formado con 15 Ibm de lignosulfonato de eramo 10 Ibm de lignito 15 Ibm de benton ita 0649 bbl de agua dulce 025 Ibm de CMC 1 Ibm de carbonato acido de sodio (NaHC03) 490 Ibm de barita y pH de 105 ajustado con hidroxido de sodio LC deso 654000 ppm para un lodo configurado por 5 Ibm de lignosulfonato de eramo 3 Ibm de lignito 20 Ibm de bentonita 0851 bbl de agua dulce 050 Ibm de CMC 1 Ibm de carbonato de sodio (Na2C0 3) 179 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidroxido de sodio LC de 163000 ppmso para un lodo constituido por 15 Ibm de lignosulfonato de cromo 8 Ibm de lignito 20 Ibm de bentonita 0737 bbl de agua dulce 5 Ibm de cal apagada 282 Ibm de barita y pH de 12 ajustado con hidr6xido de sodio

IMPACTOAMBIENTAL DE LOS PRlNClPALES LODOS DE PERFORACION 7l

72

alternativa para el uso de lodos con cloruro de potasio de lodos cuya fase continua es aceite y de los lodos con lignosulfonatos A los primeros los lodos con polimeros los han reemplazado en las operaciones de perforacion que involucran inestabilidad del pozo por la presencia de shales problematicos realizadas en el Golfo de Mexico con los segundos compiten en la gran mayo ria de caracteristicas tecnicas -excepto quiz8S en la perforabilidad- y con respecto a los ultimos operan a pH mas bajos cond ici 6n que parece reducir la desintegracion de recortes Ademas de reemplazar materia les y lodos altamente t6xicos los lodos con materiales polimericos -al disminuir la desintegracion de recortes y estabilizar el hoyo- rebajan el volumen de lodo y de re cortes que se tendran que procesar y descartar durante yo despues de la perforacion (ver el numeral 53) contribuyendo aun mas a mantener limpio nuestro ambiente

Finalmenie se puede decir que los lodos que hoy se proponen como una alternativa al uso de fluidos neumiWcos tienen efectos minimos sobre el ambiente segun 10 reportado por Medley y colaboradores (15 p1211) en una ponencia presentada en la Conferencia y Exhibicion Tecnica y Anual de la SPE

Toxicidad de aditivos

Debe resaltarse que los aditivos mas peligrosos que se han usado en lodos de perforacion -asbesto (para mejorar la capacidad de remocion de recortes) fenoles clorinados (Iubricantes) y sales de cromo hexavalente (estabilizador termico)- estan totalmente prohibidos hoy todos han sido reemplazados por otros aditivos que exhiben muy buen desemperio tecnico y que no contaminan Otros reactivos tales como el estearato de aluminio antiespumante muy utilizado y que requeria ser aplicado con gasoleo (aceite diesel) ha sido sustituido por adit ivos menos toxicos (derivados de alcoholes 0 esteres por ejemplo) En el area de densificantes la barita continua como uno de los mas utilizados pero han aumentado las exigencias sobre su calidad la usada en los lodos que quieran ser vertidos en el Golfo de Mejico no pueden contener mas de 1 mgkg de mercurio ni mas de 3 mgkg de cadmio

Muchos lubricantes que dariaban grandemente el ambiente (en su mayo ria derivados del petroleo) han sido reemplazados por derivados de gliceroles y de glicoles asi como por aceites vegetales y sus derivados entre otros compuestos no toxicos

Finalmente el paraformaldehido -corrientemente utilizado como bactericida para proteger aditivos polimericos naturales y que se descompone en formaldehido (toxico)shyha sido sustituido por glutaraldehido e isotiazolinas mucho menos toxicos La Tabla 4 muestra otros aditivos t6xicos y los sustitutos sugeridos

Medidas tomadas y su internacionalizacion

La preocupacion mundial por el impacto ambiental de las operaciones de exploraci6n y producci6n de hidrocarburos ha lIevado a celebrar reuniones y acuerdos internacionales para crear y aplicar de modo concertado normas para proteccion ambiental (ver las Referencias 21 y 22) Ante unas regulaciones ambientales cada vez mas presentes en las legislaciones nacionales regionales e internacionales y cada dia mas estrictas la industria petrolera en general y la de perforacion en particular se ha dedicado a buscar alternativas para disminuir el impacto ambiental de sus operaciones En el area de los lodos de perforacion dos han sido los caminos principales (1) Reduccion de toxicidad de los lodos y sus aditivos En este campo los materiales polimericos

LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACJON

juegan un papel estelar -ver el numeral 52- (2) Reduccion de los volumenes de desechos de lodos (ver el numeral 53) aqui tambien intervienen los materiales polimericos

52 Los materiales polimericos y su importancia en las operaciones de perforacion Lodos base agua y materiales polimericos contra lodos cuya fase continua es aceite

Los polimeros organicos y solubles en agua son los que han ten ido mas ap licacion en la industria del petroleo Estos polimeros son normalmente clasificados segun los monomeros constituyentes como homopoiimeros (sus monomeros son de igua l constitucion quimica) y copolimeros (con dos 0 mas tipos de monomeros) Segu n su origen pueden ser naturales -almidon goma de Guar (Cyanopsis Psoralioides ) goma de Xanthan goma de algarrobo- semisinteticos (carboximetil-celulosa derivados de almidon derivados de las gomas naturales) 0 sinteticos (copolimeros de acrilam ida por ejemplo )23

TABLA 4 Algunos aditivos tcixicos y sus sustitutos

ADITIVO TOXICO usa SUSTITUTO

Lignosulfonato 0 lignito de cromo Cromo Adelgazante a

Taninos 0 dicromato su Ifometilados Cromo Adelgazante a

Dicromato 0 cromato de sodio Cromo Control de corrosi6n b

Cromato de zinc Cromo Control de H2S c

Pentaclo rofenol Pentaclorofenol Bactericida d

ArSEmico Arsenico Bactericida d

Lubricante con plomo Lubricaci6n 0 sello para tuber ia Plomo de roscas e

Modificaci6n de la Referencia 20 p543

a Poliacrilato yo poliacrilamida

b Sulfitos fosfonatos y aminas

c Controlador de H2S sin cromo

d Isotiazolinas carbamatos y glutaraldehidos

e Lubricante para tuberias de revestimiento y de perforacicin sin plomo

Desde los anos 30 cuando se usaron en Estados Unidos las primeras cantidades significativas de polimeros organicos en lodos de perforacion 24 el interes por aplicaciones de dichos polimeros en la industria petrolifera crece dia a dia derivando en infinidad de estudios tal como se puede apreciar al haeer una revision no exhaustiva de las publicaeiones de la SPE durante los ultimos 25 anos se ha investigado

IMPACTOAMBIENTA L DE LOS PRJNClPALES LODOS DE PERFORACION 73

intensamente sobre el empleo de polimeros en perforacion2537 fracturamientu38-45 acidificacion46-47 control de produccion de agua48 prevencion de la produccion de

50arena 49- estabilizaci6n de arcillas (para evitar problemas tales como la migracion de finos) 30 5156 control de perdidas de circulacion en operaciones de completamiento y rea condicionamiento de pOZOS57 procesos de recuperacion mejorada58-7 beneficio de otros polfmeros72 construccion de barreras para desechos liquidos de la industria de gas y petroleo73

En el area de perforacion de pozos es especialmente valioso el aporte de los polimeros Se emplean como parte esencial de los fluidos utilizados en ella para mejoramiento de las propiedades reol6gicas y de filtracion impartidas a dichos fluidos por viscosificantes-reductores de filtrado minerales tales como bentonita sub-benton ita y atapulgita actualmente se utilizan con tal proposito almidones procesados gran cantidad de polimeros de cadena larga y mezclas de ellos Aun mas Gray y Darley (24 p54) entre otros autores74 76 comentan y proponen el reemplazo de los viscosificantesshyreductores de filtrado minerales por polimeros y otros investigadores reportan el uso exit9so de sistemas de lodos de perforacion con tal caracterfstica Steiger (30 p 1665) confirma como ventajas de un sistema de fluidos de perforacion sin viscosificantesshyreductores de filtrado minerales (compuesto por agua dulce polimero XC almidon de mafz paraformaldehido celulosa polianionica cloruro e hidroxido de potasio) con respecto a los que sf los contienen una mayor predecibilidad en las propiedades reologicas y de gelatinosidad menores perdidas de filtrado costra mas delgada y firme Con costos moderados este autor logro formular el sistema anterior y con el hizo minimos los problemas relacionados con la perforacion de formaciones inestables Segun Steiger mas de cien pozos en el mundo se han perforado exitosamente con el sistema sin viscosificantes-reductores de filtrado minerales Por su lado Browning y Chesser (25 p1256) estudian otro sistema de lodo de perforacion sin dichos compuestos (conformado basicamente con polimeros organicos) y como ventajas Ie encuentran el efecto adverso minima sobre las formaciones expuestas durante la perforacion de pozos la comunicacion de mayor potencia a la broca la posibilidad de emplear velocidades anulares muy bajas y una limpieza mas eficiente del hoyo entre otras Reportan el empleo exitoso de este sistema en perforaciones de mas de 14000 pies -unos 4267m- de profundidad (en el Condado de Reeves Texas USA) con estabilidad en las propiedades de flujo durante una semana de uso

Entre los polimeros semisinteticos utilizados en el area de perforacion sobresale la CMC por su uso extendido -solo comparable con el del almidon- su versatilidad la abundacia en la naturaleza de la celulosa (material del que se obtiene) y su bajo costa con respecto a otros poifmeros empleados en la industria del petroleo segun Chatterji y Borchardt (23 p2045) solo los precios de las gomas de Guar estan por debajo del correspondiente a la CMC En fluidos de perforacion se utiliza principal mente para suspensi6n de materiales densificantes y como reductor de filtrado en operaciones de empaquetamiento con grava y sellamiento de zonas Iadronas tambien es bastante utilizada (23 p2049) Este polimero es producido por la Industria Nacional de Colombia en tres grados77 (correspondientes a las unidades glucosfdicas presentes en el producto) Grado 1 (viscosidad alta) Grado 2 (viscosidad media) y Grado 3 (viscosidad baja) De estas diferentes calidades se derivarian efectos fundamentales sobre los fluidos en los cuales se emplee la CMC

7- LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACOt

U+ -7 Mezclar -7 Reposar-7 por5 poruna

minutos hora

i Una parte del

lodo de Perforacion

1 9 (VolumenNolumen)

Nueve partes de Agua Salada

Fase de particulas suspendidas

1 Diluciones Apropiadas

1 96 horas con camarones

Figura 12 Procedimiento para la prueba de supervivencia de camarones tipo Mysidopsis Bahia ( Modificado de la Referencia 17 p1193)

Toxicidad de lodos

Los lodos mas toxicos son los que presentan gasoleo (diesel) 0 petr61eo crudo como fase continua En los Estados Unidos de America esta hoy prohibido descargar en las aguas cualquier tipo de lodo que contenga aceite 0 recortes impregnados con tal lodo En el Mar del Norte y segun Brakel y colaboradores 19 se permitio hasta el primero de enero de 1997 descargar en el mar recortes que incluyeran maximo un 10 en peso de lodos con aceites minerales de baja toxicidad como fase continua Oespues de esa fecha el limite se baJo al 1

Muchos de los lodos cuya fase continua es material sintetico -sugeridos ultimamente como alternativa para disminuir los gran des efectos contaminantes de los lodos con aceite como fase continua- son toxicos (13 p728) Esta toxicidad se ha encontrado especialmente en la segunda generacion de dichos lodos (en tal generacion se usan olefina isomerizada parafina alfa-olefina y alquil-benceno lineales) en la cual tiene puestos hoy sus ojos la industria de exploracion ante los costos altisimos de la primera generacion (usa ester poli-alfa-olefina y eter entre otros compuestos sinteticos) reportada como no toxico (18 p807) No obstante esta ultima consideracion en 1994 no se permitia descargar en el Golfo de Mexico lodos de la primera generacion (Op cit)

70 LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACION

Los odos bajos en s6lidos tipo KClpolimeros que han tenido gran aplicaci6n por su habilidad para resolver la inestabilidad de los pozos por presencia de shales problematicos (situaci6n muy comun en perforaciones costa afuera) son hoy considerados -entre los lodos base agua- como uno de los mas contaminantes (LCso de 27000 ppm para un lodo constituido con 0737 bbl de agua de mar 050 Ibm de eelulosa poli-ani6nica de viscosidad baja 2 Ibm de almid6n 1 Ibm de goma Xanthan 50 Ibm de KCI 285 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidr6xido de potasio) Este

LCso hace prohibitivo el uso de estos lodos en las perforaciones costa afuera en los Estados Unidos aunque en otros lugares del mundo los emplean aun

Los odos dispersos tipo lignosulfonato (can 0 sin lignito) fueron de un uso vasto en operaciones de perforaci6n en tierra y costa afuera hasta mediados de los arias ochenta en los Estados Unidos Era comun que ellignosulfonato empleado contuviera de 2 a 4 en peso de cromo trivalente y algunas veces la estabilidad termica se mejoraba con sales de cromo hexavalente Los lignitos empleados tambien pod ian contener cromo Ademas de este elemento pesado los lodos con lignosulfonato solian ser lubricados con gas61eo (aceite diesel) y no obstante ellos y los recortes impregnados se arrojaban al mar AI final de los ochenta se habia reemplazado por otros lubricantes menos daninos al ambiente y aunque las pruebas de toxicidad no han indicado un efecto adverso para el ambiente por la presencia del cromo han sido realizadas investigaciones y pruebas numerosas para reducir el cromo en los lignosulfonatos yo reemplazarlo por otros cationes tambien han sido desarrollados varios dispersantes con el fin de sustituir todos los lignosulfonatos

Los odos no dispersos y los odos primarios se encuentran entre los menos t6xicos LC50 mayor de 1 000000 ppm para un lodo configurado con 13 Ibm de bentonita 0857 bbl de agua dulce 050 Ibm de ampliador del rendimiento de la bentonita 025 Ibm de poliacrilato de sodio y 191 Ibm de barita igual valor de LC para un lodo constituido so par 125 Ibm de bentonita 0477 bbl de agua de mar 0477 bbl de agua dulce 0 5 Ibm de cal apagada 50 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidr6xido de sodio

Con respecto a los odos con materiaes polimericos puede decirse que no son t6xicos mayor de 1 000000 para un lodo constituido con 025 Ibm de CMC 050 LC50 Ibm de celulosa poli-ani6nica de viscosidad normal 20 Ibm de bentonita 20 Ibm de barita pH de 95 (ajustado con hidr6xido de sodio) y sendas porciones (0483 bbl) de agua de mar y de agua dulce Actualmente se les puede considerar como una buena

de 516000 ppm para un lodo constituido con 15 Ibm de lignosulfonato de cramo 10 Ibm LCso de lignito 30 Ibm de atapulgita 0643 bbl de agua de mar 025 Ibm de celulosa poli-anionica de viscosidad normal 475 Ibm de barita y pH de 11 ajustado con hidr6xido de sodio LC deso 293000 ppm para un lodo formado con 15 Ibm de lignosulfonato de eramo 10 Ibm de lignito 15 Ibm de benton ita 0649 bbl de agua dulce 025 Ibm de CMC 1 Ibm de carbonato acido de sodio (NaHC03) 490 Ibm de barita y pH de 105 ajustado con hidroxido de sodio LC deso 654000 ppm para un lodo configurado por 5 Ibm de lignosulfonato de eramo 3 Ibm de lignito 20 Ibm de bentonita 0851 bbl de agua dulce 050 Ibm de CMC 1 Ibm de carbonato de sodio (Na2C0 3) 179 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidroxido de sodio LC de 163000 ppmso para un lodo constituido por 15 Ibm de lignosulfonato de cromo 8 Ibm de lignito 20 Ibm de bentonita 0737 bbl de agua dulce 5 Ibm de cal apagada 282 Ibm de barita y pH de 12 ajustado con hidr6xido de sodio

IMPACTOAMBIENTAL DE LOS PRlNClPALES LODOS DE PERFORACION 7l

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alternativa para el uso de lodos con cloruro de potasio de lodos cuya fase continua es aceite y de los lodos con lignosulfonatos A los primeros los lodos con polimeros los han reemplazado en las operaciones de perforacion que involucran inestabilidad del pozo por la presencia de shales problematicos realizadas en el Golfo de Mexico con los segundos compiten en la gran mayo ria de caracteristicas tecnicas -excepto quiz8S en la perforabilidad- y con respecto a los ultimos operan a pH mas bajos cond ici 6n que parece reducir la desintegracion de recortes Ademas de reemplazar materia les y lodos altamente t6xicos los lodos con materiales polimericos -al disminuir la desintegracion de recortes y estabilizar el hoyo- rebajan el volumen de lodo y de re cortes que se tendran que procesar y descartar durante yo despues de la perforacion (ver el numeral 53) contribuyendo aun mas a mantener limpio nuestro ambiente

Finalmenie se puede decir que los lodos que hoy se proponen como una alternativa al uso de fluidos neumiWcos tienen efectos minimos sobre el ambiente segun 10 reportado por Medley y colaboradores (15 p1211) en una ponencia presentada en la Conferencia y Exhibicion Tecnica y Anual de la SPE

Toxicidad de aditivos

Debe resaltarse que los aditivos mas peligrosos que se han usado en lodos de perforacion -asbesto (para mejorar la capacidad de remocion de recortes) fenoles clorinados (Iubricantes) y sales de cromo hexavalente (estabilizador termico)- estan totalmente prohibidos hoy todos han sido reemplazados por otros aditivos que exhiben muy buen desemperio tecnico y que no contaminan Otros reactivos tales como el estearato de aluminio antiespumante muy utilizado y que requeria ser aplicado con gasoleo (aceite diesel) ha sido sustituido por adit ivos menos toxicos (derivados de alcoholes 0 esteres por ejemplo) En el area de densificantes la barita continua como uno de los mas utilizados pero han aumentado las exigencias sobre su calidad la usada en los lodos que quieran ser vertidos en el Golfo de Mejico no pueden contener mas de 1 mgkg de mercurio ni mas de 3 mgkg de cadmio

Muchos lubricantes que dariaban grandemente el ambiente (en su mayo ria derivados del petroleo) han sido reemplazados por derivados de gliceroles y de glicoles asi como por aceites vegetales y sus derivados entre otros compuestos no toxicos

Finalmente el paraformaldehido -corrientemente utilizado como bactericida para proteger aditivos polimericos naturales y que se descompone en formaldehido (toxico)shyha sido sustituido por glutaraldehido e isotiazolinas mucho menos toxicos La Tabla 4 muestra otros aditivos t6xicos y los sustitutos sugeridos

Medidas tomadas y su internacionalizacion

La preocupacion mundial por el impacto ambiental de las operaciones de exploraci6n y producci6n de hidrocarburos ha lIevado a celebrar reuniones y acuerdos internacionales para crear y aplicar de modo concertado normas para proteccion ambiental (ver las Referencias 21 y 22) Ante unas regulaciones ambientales cada vez mas presentes en las legislaciones nacionales regionales e internacionales y cada dia mas estrictas la industria petrolera en general y la de perforacion en particular se ha dedicado a buscar alternativas para disminuir el impacto ambiental de sus operaciones En el area de los lodos de perforacion dos han sido los caminos principales (1) Reduccion de toxicidad de los lodos y sus aditivos En este campo los materiales polimericos

LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACJON

juegan un papel estelar -ver el numeral 52- (2) Reduccion de los volumenes de desechos de lodos (ver el numeral 53) aqui tambien intervienen los materiales polimericos

52 Los materiales polimericos y su importancia en las operaciones de perforacion Lodos base agua y materiales polimericos contra lodos cuya fase continua es aceite

Los polimeros organicos y solubles en agua son los que han ten ido mas ap licacion en la industria del petroleo Estos polimeros son normalmente clasificados segun los monomeros constituyentes como homopoiimeros (sus monomeros son de igua l constitucion quimica) y copolimeros (con dos 0 mas tipos de monomeros) Segu n su origen pueden ser naturales -almidon goma de Guar (Cyanopsis Psoralioides ) goma de Xanthan goma de algarrobo- semisinteticos (carboximetil-celulosa derivados de almidon derivados de las gomas naturales) 0 sinteticos (copolimeros de acrilam ida por ejemplo )23

TABLA 4 Algunos aditivos tcixicos y sus sustitutos

ADITIVO TOXICO usa SUSTITUTO

Lignosulfonato 0 lignito de cromo Cromo Adelgazante a

Taninos 0 dicromato su Ifometilados Cromo Adelgazante a

Dicromato 0 cromato de sodio Cromo Control de corrosi6n b

Cromato de zinc Cromo Control de H2S c

Pentaclo rofenol Pentaclorofenol Bactericida d

ArSEmico Arsenico Bactericida d

Lubricante con plomo Lubricaci6n 0 sello para tuber ia Plomo de roscas e

Modificaci6n de la Referencia 20 p543

a Poliacrilato yo poliacrilamida

b Sulfitos fosfonatos y aminas

c Controlador de H2S sin cromo

d Isotiazolinas carbamatos y glutaraldehidos

e Lubricante para tuberias de revestimiento y de perforacicin sin plomo

Desde los anos 30 cuando se usaron en Estados Unidos las primeras cantidades significativas de polimeros organicos en lodos de perforacion 24 el interes por aplicaciones de dichos polimeros en la industria petrolifera crece dia a dia derivando en infinidad de estudios tal como se puede apreciar al haeer una revision no exhaustiva de las publicaeiones de la SPE durante los ultimos 25 anos se ha investigado

IMPACTOAMBIENTA L DE LOS PRJNClPALES LODOS DE PERFORACION 73

intensamente sobre el empleo de polimeros en perforacion2537 fracturamientu38-45 acidificacion46-47 control de produccion de agua48 prevencion de la produccion de

50arena 49- estabilizaci6n de arcillas (para evitar problemas tales como la migracion de finos) 30 5156 control de perdidas de circulacion en operaciones de completamiento y rea condicionamiento de pOZOS57 procesos de recuperacion mejorada58-7 beneficio de otros polfmeros72 construccion de barreras para desechos liquidos de la industria de gas y petroleo73

En el area de perforacion de pozos es especialmente valioso el aporte de los polimeros Se emplean como parte esencial de los fluidos utilizados en ella para mejoramiento de las propiedades reol6gicas y de filtracion impartidas a dichos fluidos por viscosificantes-reductores de filtrado minerales tales como bentonita sub-benton ita y atapulgita actualmente se utilizan con tal proposito almidones procesados gran cantidad de polimeros de cadena larga y mezclas de ellos Aun mas Gray y Darley (24 p54) entre otros autores74 76 comentan y proponen el reemplazo de los viscosificantesshyreductores de filtrado minerales por polimeros y otros investigadores reportan el uso exit9so de sistemas de lodos de perforacion con tal caracterfstica Steiger (30 p 1665) confirma como ventajas de un sistema de fluidos de perforacion sin viscosificantesshyreductores de filtrado minerales (compuesto por agua dulce polimero XC almidon de mafz paraformaldehido celulosa polianionica cloruro e hidroxido de potasio) con respecto a los que sf los contienen una mayor predecibilidad en las propiedades reologicas y de gelatinosidad menores perdidas de filtrado costra mas delgada y firme Con costos moderados este autor logro formular el sistema anterior y con el hizo minimos los problemas relacionados con la perforacion de formaciones inestables Segun Steiger mas de cien pozos en el mundo se han perforado exitosamente con el sistema sin viscosificantes-reductores de filtrado minerales Por su lado Browning y Chesser (25 p1256) estudian otro sistema de lodo de perforacion sin dichos compuestos (conformado basicamente con polimeros organicos) y como ventajas Ie encuentran el efecto adverso minima sobre las formaciones expuestas durante la perforacion de pozos la comunicacion de mayor potencia a la broca la posibilidad de emplear velocidades anulares muy bajas y una limpieza mas eficiente del hoyo entre otras Reportan el empleo exitoso de este sistema en perforaciones de mas de 14000 pies -unos 4267m- de profundidad (en el Condado de Reeves Texas USA) con estabilidad en las propiedades de flujo durante una semana de uso

Entre los polimeros semisinteticos utilizados en el area de perforacion sobresale la CMC por su uso extendido -solo comparable con el del almidon- su versatilidad la abundacia en la naturaleza de la celulosa (material del que se obtiene) y su bajo costa con respecto a otros poifmeros empleados en la industria del petroleo segun Chatterji y Borchardt (23 p2045) solo los precios de las gomas de Guar estan por debajo del correspondiente a la CMC En fluidos de perforacion se utiliza principal mente para suspensi6n de materiales densificantes y como reductor de filtrado en operaciones de empaquetamiento con grava y sellamiento de zonas Iadronas tambien es bastante utilizada (23 p2049) Este polimero es producido por la Industria Nacional de Colombia en tres grados77 (correspondientes a las unidades glucosfdicas presentes en el producto) Grado 1 (viscosidad alta) Grado 2 (viscosidad media) y Grado 3 (viscosidad baja) De estas diferentes calidades se derivarian efectos fundamentales sobre los fluidos en los cuales se emplee la CMC

7- LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACOt

Los odos bajos en s6lidos tipo KClpolimeros que han tenido gran aplicaci6n por su habilidad para resolver la inestabilidad de los pozos por presencia de shales problematicos (situaci6n muy comun en perforaciones costa afuera) son hoy considerados -entre los lodos base agua- como uno de los mas contaminantes (LCso de 27000 ppm para un lodo constituido con 0737 bbl de agua de mar 050 Ibm de eelulosa poli-ani6nica de viscosidad baja 2 Ibm de almid6n 1 Ibm de goma Xanthan 50 Ibm de KCI 285 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidr6xido de potasio) Este

LCso hace prohibitivo el uso de estos lodos en las perforaciones costa afuera en los Estados Unidos aunque en otros lugares del mundo los emplean aun

Los odos dispersos tipo lignosulfonato (can 0 sin lignito) fueron de un uso vasto en operaciones de perforaci6n en tierra y costa afuera hasta mediados de los arias ochenta en los Estados Unidos Era comun que ellignosulfonato empleado contuviera de 2 a 4 en peso de cromo trivalente y algunas veces la estabilidad termica se mejoraba con sales de cromo hexavalente Los lignitos empleados tambien pod ian contener cromo Ademas de este elemento pesado los lodos con lignosulfonato solian ser lubricados con gas61eo (aceite diesel) y no obstante ellos y los recortes impregnados se arrojaban al mar AI final de los ochenta se habia reemplazado por otros lubricantes menos daninos al ambiente y aunque las pruebas de toxicidad no han indicado un efecto adverso para el ambiente por la presencia del cromo han sido realizadas investigaciones y pruebas numerosas para reducir el cromo en los lignosulfonatos yo reemplazarlo por otros cationes tambien han sido desarrollados varios dispersantes con el fin de sustituir todos los lignosulfonatos

Los odos no dispersos y los odos primarios se encuentran entre los menos t6xicos LC50 mayor de 1 000000 ppm para un lodo configurado con 13 Ibm de bentonita 0857 bbl de agua dulce 050 Ibm de ampliador del rendimiento de la bentonita 025 Ibm de poliacrilato de sodio y 191 Ibm de barita igual valor de LC para un lodo constituido so par 125 Ibm de bentonita 0477 bbl de agua de mar 0477 bbl de agua dulce 0 5 Ibm de cal apagada 50 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidr6xido de sodio

Con respecto a los odos con materiaes polimericos puede decirse que no son t6xicos mayor de 1 000000 para un lodo constituido con 025 Ibm de CMC 050 LC50 Ibm de celulosa poli-ani6nica de viscosidad normal 20 Ibm de bentonita 20 Ibm de barita pH de 95 (ajustado con hidr6xido de sodio) y sendas porciones (0483 bbl) de agua de mar y de agua dulce Actualmente se les puede considerar como una buena

de 516000 ppm para un lodo constituido con 15 Ibm de lignosulfonato de cramo 10 Ibm LCso de lignito 30 Ibm de atapulgita 0643 bbl de agua de mar 025 Ibm de celulosa poli-anionica de viscosidad normal 475 Ibm de barita y pH de 11 ajustado con hidr6xido de sodio LC deso 293000 ppm para un lodo formado con 15 Ibm de lignosulfonato de eramo 10 Ibm de lignito 15 Ibm de benton ita 0649 bbl de agua dulce 025 Ibm de CMC 1 Ibm de carbonato acido de sodio (NaHC03) 490 Ibm de barita y pH de 105 ajustado con hidroxido de sodio LC deso 654000 ppm para un lodo configurado por 5 Ibm de lignosulfonato de eramo 3 Ibm de lignito 20 Ibm de bentonita 0851 bbl de agua dulce 050 Ibm de CMC 1 Ibm de carbonato de sodio (Na2C0 3) 179 Ibm de barita y pH de 10 ajustado con hidroxido de sodio LC de 163000 ppmso para un lodo constituido por 15 Ibm de lignosulfonato de cromo 8 Ibm de lignito 20 Ibm de bentonita 0737 bbl de agua dulce 5 Ibm de cal apagada 282 Ibm de barita y pH de 12 ajustado con hidr6xido de sodio

IMPACTOAMBIENTAL DE LOS PRlNClPALES LODOS DE PERFORACION 7l

72

alternativa para el uso de lodos con cloruro de potasio de lodos cuya fase continua es aceite y de los lodos con lignosulfonatos A los primeros los lodos con polimeros los han reemplazado en las operaciones de perforacion que involucran inestabilidad del pozo por la presencia de shales problematicos realizadas en el Golfo de Mexico con los segundos compiten en la gran mayo ria de caracteristicas tecnicas -excepto quiz8S en la perforabilidad- y con respecto a los ultimos operan a pH mas bajos cond ici 6n que parece reducir la desintegracion de recortes Ademas de reemplazar materia les y lodos altamente t6xicos los lodos con materiales polimericos -al disminuir la desintegracion de recortes y estabilizar el hoyo- rebajan el volumen de lodo y de re cortes que se tendran que procesar y descartar durante yo despues de la perforacion (ver el numeral 53) contribuyendo aun mas a mantener limpio nuestro ambiente

Finalmenie se puede decir que los lodos que hoy se proponen como una alternativa al uso de fluidos neumiWcos tienen efectos minimos sobre el ambiente segun 10 reportado por Medley y colaboradores (15 p1211) en una ponencia presentada en la Conferencia y Exhibicion Tecnica y Anual de la SPE

Toxicidad de aditivos

Debe resaltarse que los aditivos mas peligrosos que se han usado en lodos de perforacion -asbesto (para mejorar la capacidad de remocion de recortes) fenoles clorinados (Iubricantes) y sales de cromo hexavalente (estabilizador termico)- estan totalmente prohibidos hoy todos han sido reemplazados por otros aditivos que exhiben muy buen desemperio tecnico y que no contaminan Otros reactivos tales como el estearato de aluminio antiespumante muy utilizado y que requeria ser aplicado con gasoleo (aceite diesel) ha sido sustituido por adit ivos menos toxicos (derivados de alcoholes 0 esteres por ejemplo) En el area de densificantes la barita continua como uno de los mas utilizados pero han aumentado las exigencias sobre su calidad la usada en los lodos que quieran ser vertidos en el Golfo de Mejico no pueden contener mas de 1 mgkg de mercurio ni mas de 3 mgkg de cadmio

Muchos lubricantes que dariaban grandemente el ambiente (en su mayo ria derivados del petroleo) han sido reemplazados por derivados de gliceroles y de glicoles asi como por aceites vegetales y sus derivados entre otros compuestos no toxicos

Finalmente el paraformaldehido -corrientemente utilizado como bactericida para proteger aditivos polimericos naturales y que se descompone en formaldehido (toxico)shyha sido sustituido por glutaraldehido e isotiazolinas mucho menos toxicos La Tabla 4 muestra otros aditivos t6xicos y los sustitutos sugeridos

Medidas tomadas y su internacionalizacion

La preocupacion mundial por el impacto ambiental de las operaciones de exploraci6n y producci6n de hidrocarburos ha lIevado a celebrar reuniones y acuerdos internacionales para crear y aplicar de modo concertado normas para proteccion ambiental (ver las Referencias 21 y 22) Ante unas regulaciones ambientales cada vez mas presentes en las legislaciones nacionales regionales e internacionales y cada dia mas estrictas la industria petrolera en general y la de perforacion en particular se ha dedicado a buscar alternativas para disminuir el impacto ambiental de sus operaciones En el area de los lodos de perforacion dos han sido los caminos principales (1) Reduccion de toxicidad de los lodos y sus aditivos En este campo los materiales polimericos

LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACJON

juegan un papel estelar -ver el numeral 52- (2) Reduccion de los volumenes de desechos de lodos (ver el numeral 53) aqui tambien intervienen los materiales polimericos

52 Los materiales polimericos y su importancia en las operaciones de perforacion Lodos base agua y materiales polimericos contra lodos cuya fase continua es aceite

Los polimeros organicos y solubles en agua son los que han ten ido mas ap licacion en la industria del petroleo Estos polimeros son normalmente clasificados segun los monomeros constituyentes como homopoiimeros (sus monomeros son de igua l constitucion quimica) y copolimeros (con dos 0 mas tipos de monomeros) Segu n su origen pueden ser naturales -almidon goma de Guar (Cyanopsis Psoralioides ) goma de Xanthan goma de algarrobo- semisinteticos (carboximetil-celulosa derivados de almidon derivados de las gomas naturales) 0 sinteticos (copolimeros de acrilam ida por ejemplo )23

TABLA 4 Algunos aditivos tcixicos y sus sustitutos

ADITIVO TOXICO usa SUSTITUTO

Lignosulfonato 0 lignito de cromo Cromo Adelgazante a

Taninos 0 dicromato su Ifometilados Cromo Adelgazante a

Dicromato 0 cromato de sodio Cromo Control de corrosi6n b

Cromato de zinc Cromo Control de H2S c

Pentaclo rofenol Pentaclorofenol Bactericida d

ArSEmico Arsenico Bactericida d

Lubricante con plomo Lubricaci6n 0 sello para tuber ia Plomo de roscas e

Modificaci6n de la Referencia 20 p543

a Poliacrilato yo poliacrilamida

b Sulfitos fosfonatos y aminas

c Controlador de H2S sin cromo

d Isotiazolinas carbamatos y glutaraldehidos

e Lubricante para tuberias de revestimiento y de perforacicin sin plomo

Desde los anos 30 cuando se usaron en Estados Unidos las primeras cantidades significativas de polimeros organicos en lodos de perforacion 24 el interes por aplicaciones de dichos polimeros en la industria petrolifera crece dia a dia derivando en infinidad de estudios tal como se puede apreciar al haeer una revision no exhaustiva de las publicaeiones de la SPE durante los ultimos 25 anos se ha investigado

IMPACTOAMBIENTA L DE LOS PRJNClPALES LODOS DE PERFORACION 73

intensamente sobre el empleo de polimeros en perforacion2537 fracturamientu38-45 acidificacion46-47 control de produccion de agua48 prevencion de la produccion de

50arena 49- estabilizaci6n de arcillas (para evitar problemas tales como la migracion de finos) 30 5156 control de perdidas de circulacion en operaciones de completamiento y rea condicionamiento de pOZOS57 procesos de recuperacion mejorada58-7 beneficio de otros polfmeros72 construccion de barreras para desechos liquidos de la industria de gas y petroleo73

En el area de perforacion de pozos es especialmente valioso el aporte de los polimeros Se emplean como parte esencial de los fluidos utilizados en ella para mejoramiento de las propiedades reol6gicas y de filtracion impartidas a dichos fluidos por viscosificantes-reductores de filtrado minerales tales como bentonita sub-benton ita y atapulgita actualmente se utilizan con tal proposito almidones procesados gran cantidad de polimeros de cadena larga y mezclas de ellos Aun mas Gray y Darley (24 p54) entre otros autores74 76 comentan y proponen el reemplazo de los viscosificantesshyreductores de filtrado minerales por polimeros y otros investigadores reportan el uso exit9so de sistemas de lodos de perforacion con tal caracterfstica Steiger (30 p 1665) confirma como ventajas de un sistema de fluidos de perforacion sin viscosificantesshyreductores de filtrado minerales (compuesto por agua dulce polimero XC almidon de mafz paraformaldehido celulosa polianionica cloruro e hidroxido de potasio) con respecto a los que sf los contienen una mayor predecibilidad en las propiedades reologicas y de gelatinosidad menores perdidas de filtrado costra mas delgada y firme Con costos moderados este autor logro formular el sistema anterior y con el hizo minimos los problemas relacionados con la perforacion de formaciones inestables Segun Steiger mas de cien pozos en el mundo se han perforado exitosamente con el sistema sin viscosificantes-reductores de filtrado minerales Por su lado Browning y Chesser (25 p1256) estudian otro sistema de lodo de perforacion sin dichos compuestos (conformado basicamente con polimeros organicos) y como ventajas Ie encuentran el efecto adverso minima sobre las formaciones expuestas durante la perforacion de pozos la comunicacion de mayor potencia a la broca la posibilidad de emplear velocidades anulares muy bajas y una limpieza mas eficiente del hoyo entre otras Reportan el empleo exitoso de este sistema en perforaciones de mas de 14000 pies -unos 4267m- de profundidad (en el Condado de Reeves Texas USA) con estabilidad en las propiedades de flujo durante una semana de uso

Entre los polimeros semisinteticos utilizados en el area de perforacion sobresale la CMC por su uso extendido -solo comparable con el del almidon- su versatilidad la abundacia en la naturaleza de la celulosa (material del que se obtiene) y su bajo costa con respecto a otros poifmeros empleados en la industria del petroleo segun Chatterji y Borchardt (23 p2045) solo los precios de las gomas de Guar estan por debajo del correspondiente a la CMC En fluidos de perforacion se utiliza principal mente para suspensi6n de materiales densificantes y como reductor de filtrado en operaciones de empaquetamiento con grava y sellamiento de zonas Iadronas tambien es bastante utilizada (23 p2049) Este polimero es producido por la Industria Nacional de Colombia en tres grados77 (correspondientes a las unidades glucosfdicas presentes en el producto) Grado 1 (viscosidad alta) Grado 2 (viscosidad media) y Grado 3 (viscosidad baja) De estas diferentes calidades se derivarian efectos fundamentales sobre los fluidos en los cuales se emplee la CMC

7- LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACOt

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alternativa para el uso de lodos con cloruro de potasio de lodos cuya fase continua es aceite y de los lodos con lignosulfonatos A los primeros los lodos con polimeros los han reemplazado en las operaciones de perforacion que involucran inestabilidad del pozo por la presencia de shales problematicos realizadas en el Golfo de Mexico con los segundos compiten en la gran mayo ria de caracteristicas tecnicas -excepto quiz8S en la perforabilidad- y con respecto a los ultimos operan a pH mas bajos cond ici 6n que parece reducir la desintegracion de recortes Ademas de reemplazar materia les y lodos altamente t6xicos los lodos con materiales polimericos -al disminuir la desintegracion de recortes y estabilizar el hoyo- rebajan el volumen de lodo y de re cortes que se tendran que procesar y descartar durante yo despues de la perforacion (ver el numeral 53) contribuyendo aun mas a mantener limpio nuestro ambiente

Finalmenie se puede decir que los lodos que hoy se proponen como una alternativa al uso de fluidos neumiWcos tienen efectos minimos sobre el ambiente segun 10 reportado por Medley y colaboradores (15 p1211) en una ponencia presentada en la Conferencia y Exhibicion Tecnica y Anual de la SPE

Toxicidad de aditivos

Debe resaltarse que los aditivos mas peligrosos que se han usado en lodos de perforacion -asbesto (para mejorar la capacidad de remocion de recortes) fenoles clorinados (Iubricantes) y sales de cromo hexavalente (estabilizador termico)- estan totalmente prohibidos hoy todos han sido reemplazados por otros aditivos que exhiben muy buen desemperio tecnico y que no contaminan Otros reactivos tales como el estearato de aluminio antiespumante muy utilizado y que requeria ser aplicado con gasoleo (aceite diesel) ha sido sustituido por adit ivos menos toxicos (derivados de alcoholes 0 esteres por ejemplo) En el area de densificantes la barita continua como uno de los mas utilizados pero han aumentado las exigencias sobre su calidad la usada en los lodos que quieran ser vertidos en el Golfo de Mejico no pueden contener mas de 1 mgkg de mercurio ni mas de 3 mgkg de cadmio

Muchos lubricantes que dariaban grandemente el ambiente (en su mayo ria derivados del petroleo) han sido reemplazados por derivados de gliceroles y de glicoles asi como por aceites vegetales y sus derivados entre otros compuestos no toxicos

Finalmente el paraformaldehido -corrientemente utilizado como bactericida para proteger aditivos polimericos naturales y que se descompone en formaldehido (toxico)shyha sido sustituido por glutaraldehido e isotiazolinas mucho menos toxicos La Tabla 4 muestra otros aditivos t6xicos y los sustitutos sugeridos

Medidas tomadas y su internacionalizacion

La preocupacion mundial por el impacto ambiental de las operaciones de exploraci6n y producci6n de hidrocarburos ha lIevado a celebrar reuniones y acuerdos internacionales para crear y aplicar de modo concertado normas para proteccion ambiental (ver las Referencias 21 y 22) Ante unas regulaciones ambientales cada vez mas presentes en las legislaciones nacionales regionales e internacionales y cada dia mas estrictas la industria petrolera en general y la de perforacion en particular se ha dedicado a buscar alternativas para disminuir el impacto ambiental de sus operaciones En el area de los lodos de perforacion dos han sido los caminos principales (1) Reduccion de toxicidad de los lodos y sus aditivos En este campo los materiales polimericos

LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACJON

juegan un papel estelar -ver el numeral 52- (2) Reduccion de los volumenes de desechos de lodos (ver el numeral 53) aqui tambien intervienen los materiales polimericos

52 Los materiales polimericos y su importancia en las operaciones de perforacion Lodos base agua y materiales polimericos contra lodos cuya fase continua es aceite

Los polimeros organicos y solubles en agua son los que han ten ido mas ap licacion en la industria del petroleo Estos polimeros son normalmente clasificados segun los monomeros constituyentes como homopoiimeros (sus monomeros son de igua l constitucion quimica) y copolimeros (con dos 0 mas tipos de monomeros) Segu n su origen pueden ser naturales -almidon goma de Guar (Cyanopsis Psoralioides ) goma de Xanthan goma de algarrobo- semisinteticos (carboximetil-celulosa derivados de almidon derivados de las gomas naturales) 0 sinteticos (copolimeros de acrilam ida por ejemplo )23

TABLA 4 Algunos aditivos tcixicos y sus sustitutos

ADITIVO TOXICO usa SUSTITUTO

Lignosulfonato 0 lignito de cromo Cromo Adelgazante a

Taninos 0 dicromato su Ifometilados Cromo Adelgazante a

Dicromato 0 cromato de sodio Cromo Control de corrosi6n b

Cromato de zinc Cromo Control de H2S c

Pentaclo rofenol Pentaclorofenol Bactericida d

ArSEmico Arsenico Bactericida d

Lubricante con plomo Lubricaci6n 0 sello para tuber ia Plomo de roscas e

Modificaci6n de la Referencia 20 p543

a Poliacrilato yo poliacrilamida

b Sulfitos fosfonatos y aminas

c Controlador de H2S sin cromo

d Isotiazolinas carbamatos y glutaraldehidos

e Lubricante para tuberias de revestimiento y de perforacicin sin plomo

Desde los anos 30 cuando se usaron en Estados Unidos las primeras cantidades significativas de polimeros organicos en lodos de perforacion 24 el interes por aplicaciones de dichos polimeros en la industria petrolifera crece dia a dia derivando en infinidad de estudios tal como se puede apreciar al haeer una revision no exhaustiva de las publicaeiones de la SPE durante los ultimos 25 anos se ha investigado

IMPACTOAMBIENTA L DE LOS PRJNClPALES LODOS DE PERFORACION 73

intensamente sobre el empleo de polimeros en perforacion2537 fracturamientu38-45 acidificacion46-47 control de produccion de agua48 prevencion de la produccion de

50arena 49- estabilizaci6n de arcillas (para evitar problemas tales como la migracion de finos) 30 5156 control de perdidas de circulacion en operaciones de completamiento y rea condicionamiento de pOZOS57 procesos de recuperacion mejorada58-7 beneficio de otros polfmeros72 construccion de barreras para desechos liquidos de la industria de gas y petroleo73

En el area de perforacion de pozos es especialmente valioso el aporte de los polimeros Se emplean como parte esencial de los fluidos utilizados en ella para mejoramiento de las propiedades reol6gicas y de filtracion impartidas a dichos fluidos por viscosificantes-reductores de filtrado minerales tales como bentonita sub-benton ita y atapulgita actualmente se utilizan con tal proposito almidones procesados gran cantidad de polimeros de cadena larga y mezclas de ellos Aun mas Gray y Darley (24 p54) entre otros autores74 76 comentan y proponen el reemplazo de los viscosificantesshyreductores de filtrado minerales por polimeros y otros investigadores reportan el uso exit9so de sistemas de lodos de perforacion con tal caracterfstica Steiger (30 p 1665) confirma como ventajas de un sistema de fluidos de perforacion sin viscosificantesshyreductores de filtrado minerales (compuesto por agua dulce polimero XC almidon de mafz paraformaldehido celulosa polianionica cloruro e hidroxido de potasio) con respecto a los que sf los contienen una mayor predecibilidad en las propiedades reologicas y de gelatinosidad menores perdidas de filtrado costra mas delgada y firme Con costos moderados este autor logro formular el sistema anterior y con el hizo minimos los problemas relacionados con la perforacion de formaciones inestables Segun Steiger mas de cien pozos en el mundo se han perforado exitosamente con el sistema sin viscosificantes-reductores de filtrado minerales Por su lado Browning y Chesser (25 p1256) estudian otro sistema de lodo de perforacion sin dichos compuestos (conformado basicamente con polimeros organicos) y como ventajas Ie encuentran el efecto adverso minima sobre las formaciones expuestas durante la perforacion de pozos la comunicacion de mayor potencia a la broca la posibilidad de emplear velocidades anulares muy bajas y una limpieza mas eficiente del hoyo entre otras Reportan el empleo exitoso de este sistema en perforaciones de mas de 14000 pies -unos 4267m- de profundidad (en el Condado de Reeves Texas USA) con estabilidad en las propiedades de flujo durante una semana de uso

Entre los polimeros semisinteticos utilizados en el area de perforacion sobresale la CMC por su uso extendido -solo comparable con el del almidon- su versatilidad la abundacia en la naturaleza de la celulosa (material del que se obtiene) y su bajo costa con respecto a otros poifmeros empleados en la industria del petroleo segun Chatterji y Borchardt (23 p2045) solo los precios de las gomas de Guar estan por debajo del correspondiente a la CMC En fluidos de perforacion se utiliza principal mente para suspensi6n de materiales densificantes y como reductor de filtrado en operaciones de empaquetamiento con grava y sellamiento de zonas Iadronas tambien es bastante utilizada (23 p2049) Este polimero es producido por la Industria Nacional de Colombia en tres grados77 (correspondientes a las unidades glucosfdicas presentes en el producto) Grado 1 (viscosidad alta) Grado 2 (viscosidad media) y Grado 3 (viscosidad baja) De estas diferentes calidades se derivarian efectos fundamentales sobre los fluidos en los cuales se emplee la CMC

7- LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACOt

juegan un papel estelar -ver el numeral 52- (2) Reduccion de los volumenes de desechos de lodos (ver el numeral 53) aqui tambien intervienen los materiales polimericos

52 Los materiales polimericos y su importancia en las operaciones de perforacion Lodos base agua y materiales polimericos contra lodos cuya fase continua es aceite

Los polimeros organicos y solubles en agua son los que han ten ido mas ap licacion en la industria del petroleo Estos polimeros son normalmente clasificados segun los monomeros constituyentes como homopoiimeros (sus monomeros son de igua l constitucion quimica) y copolimeros (con dos 0 mas tipos de monomeros) Segu n su origen pueden ser naturales -almidon goma de Guar (Cyanopsis Psoralioides ) goma de Xanthan goma de algarrobo- semisinteticos (carboximetil-celulosa derivados de almidon derivados de las gomas naturales) 0 sinteticos (copolimeros de acrilam ida por ejemplo )23

TABLA 4 Algunos aditivos tcixicos y sus sustitutos

ADITIVO TOXICO usa SUSTITUTO

Lignosulfonato 0 lignito de cromo Cromo Adelgazante a

Taninos 0 dicromato su Ifometilados Cromo Adelgazante a

Dicromato 0 cromato de sodio Cromo Control de corrosi6n b

Cromato de zinc Cromo Control de H2S c

Pentaclo rofenol Pentaclorofenol Bactericida d

ArSEmico Arsenico Bactericida d

Lubricante con plomo Lubricaci6n 0 sello para tuber ia Plomo de roscas e

Modificaci6n de la Referencia 20 p543

a Poliacrilato yo poliacrilamida

b Sulfitos fosfonatos y aminas

c Controlador de H2S sin cromo

d Isotiazolinas carbamatos y glutaraldehidos

e Lubricante para tuberias de revestimiento y de perforacicin sin plomo

Desde los anos 30 cuando se usaron en Estados Unidos las primeras cantidades significativas de polimeros organicos en lodos de perforacion 24 el interes por aplicaciones de dichos polimeros en la industria petrolifera crece dia a dia derivando en infinidad de estudios tal como se puede apreciar al haeer una revision no exhaustiva de las publicaeiones de la SPE durante los ultimos 25 anos se ha investigado

IMPACTOAMBIENTA L DE LOS PRJNClPALES LODOS DE PERFORACION 73

intensamente sobre el empleo de polimeros en perforacion2537 fracturamientu38-45 acidificacion46-47 control de produccion de agua48 prevencion de la produccion de

50arena 49- estabilizaci6n de arcillas (para evitar problemas tales como la migracion de finos) 30 5156 control de perdidas de circulacion en operaciones de completamiento y rea condicionamiento de pOZOS57 procesos de recuperacion mejorada58-7 beneficio de otros polfmeros72 construccion de barreras para desechos liquidos de la industria de gas y petroleo73

En el area de perforacion de pozos es especialmente valioso el aporte de los polimeros Se emplean como parte esencial de los fluidos utilizados en ella para mejoramiento de las propiedades reol6gicas y de filtracion impartidas a dichos fluidos por viscosificantes-reductores de filtrado minerales tales como bentonita sub-benton ita y atapulgita actualmente se utilizan con tal proposito almidones procesados gran cantidad de polimeros de cadena larga y mezclas de ellos Aun mas Gray y Darley (24 p54) entre otros autores74 76 comentan y proponen el reemplazo de los viscosificantesshyreductores de filtrado minerales por polimeros y otros investigadores reportan el uso exit9so de sistemas de lodos de perforacion con tal caracterfstica Steiger (30 p 1665) confirma como ventajas de un sistema de fluidos de perforacion sin viscosificantesshyreductores de filtrado minerales (compuesto por agua dulce polimero XC almidon de mafz paraformaldehido celulosa polianionica cloruro e hidroxido de potasio) con respecto a los que sf los contienen una mayor predecibilidad en las propiedades reologicas y de gelatinosidad menores perdidas de filtrado costra mas delgada y firme Con costos moderados este autor logro formular el sistema anterior y con el hizo minimos los problemas relacionados con la perforacion de formaciones inestables Segun Steiger mas de cien pozos en el mundo se han perforado exitosamente con el sistema sin viscosificantes-reductores de filtrado minerales Por su lado Browning y Chesser (25 p1256) estudian otro sistema de lodo de perforacion sin dichos compuestos (conformado basicamente con polimeros organicos) y como ventajas Ie encuentran el efecto adverso minima sobre las formaciones expuestas durante la perforacion de pozos la comunicacion de mayor potencia a la broca la posibilidad de emplear velocidades anulares muy bajas y una limpieza mas eficiente del hoyo entre otras Reportan el empleo exitoso de este sistema en perforaciones de mas de 14000 pies -unos 4267m- de profundidad (en el Condado de Reeves Texas USA) con estabilidad en las propiedades de flujo durante una semana de uso

Entre los polimeros semisinteticos utilizados en el area de perforacion sobresale la CMC por su uso extendido -solo comparable con el del almidon- su versatilidad la abundacia en la naturaleza de la celulosa (material del que se obtiene) y su bajo costa con respecto a otros poifmeros empleados en la industria del petroleo segun Chatterji y Borchardt (23 p2045) solo los precios de las gomas de Guar estan por debajo del correspondiente a la CMC En fluidos de perforacion se utiliza principal mente para suspensi6n de materiales densificantes y como reductor de filtrado en operaciones de empaquetamiento con grava y sellamiento de zonas Iadronas tambien es bastante utilizada (23 p2049) Este polimero es producido por la Industria Nacional de Colombia en tres grados77 (correspondientes a las unidades glucosfdicas presentes en el producto) Grado 1 (viscosidad alta) Grado 2 (viscosidad media) y Grado 3 (viscosidad baja) De estas diferentes calidades se derivarian efectos fundamentales sobre los fluidos en los cuales se emplee la CMC

7- LECTURAS SOBRE LODOS DE PERFORACOt

intensamente sobre el empleo de polimeros en perforacion2537 fracturamientu38-45 acidificacion46-47 control de produccion de agua48 prevencion de la produccion de

50arena 49- estabilizaci6n de arcillas (para evitar problemas tales como la migracion de finos) 30 5156 control de perdidas de circulacion en operaciones de completamiento y rea condicionamiento de pOZOS57 procesos de recuperacion mejorada58-7 beneficio de otros polfmeros72 construccion de barreras para desechos liquidos de la industria de gas y petroleo73

En el area de perforacion de pozos es especialmente valioso el aporte de los polimeros Se emplean como parte esencial de los fluidos utilizados en ella para mejoramiento de las propiedades reol6gicas y de filtracion impartidas a dichos fluidos por viscosificantes-reductores de filtrado minerales tales como bentonita sub-benton ita y atapulgita actualmente se utilizan con tal proposito almidones procesados gran cantidad de polimeros de cadena larga y mezclas de ellos Aun mas Gray y Darley (24 p54) entre otros autores74 76 comentan y proponen el reemplazo de los viscosificantesshyreductores de filtrado minerales por polimeros y otros investigadores reportan el uso exit9so de sistemas de lodos de perforacion con tal caracterfstica Steiger (30 p 1665) confirma como ventajas de un sistema de fluidos de perforacion sin viscosificantesshyreductores de filtrado minerales (compuesto por agua dulce polimero XC almidon de mafz paraformaldehido celulosa polianionica cloruro e hidroxido de potasio) con respecto a los que sf los contienen una mayor predecibilidad en las propiedades reologicas y de gelatinosidad menores perdidas de filtrado costra mas delgada y firme Con costos moderados este autor logro formular el sistema anterior y con el hizo minimos los problemas relacionados con la perforacion de formaciones inestables Segun Steiger mas de cien pozos en el mundo se han perforado exitosamente con el sistema sin viscosificantes-reductores de filtrado minerales Por su lado Browning y Chesser (25 p1256) estudian otro sistema de lodo de perforacion sin dichos compuestos (conformado basicamente con polimeros organicos) y como ventajas Ie encuentran el efecto adverso minima sobre las formaciones expuestas durante la perforacion de pozos la comunicacion de mayor potencia a la broca la posibilidad de emplear velocidades anulares muy bajas y una limpieza mas eficiente del hoyo entre otras Reportan el empleo exitoso de este sistema en perforaciones de mas de 14000 pies -unos 4267m- de profundidad (en el Condado de Reeves Texas USA) con estabilidad en las propiedades de flujo durante una semana de uso

Entre los polimeros semisinteticos utilizados en el area de perforacion sobresale la CMC por su uso extendido -solo comparable con el del almidon- su versatilidad la abundacia en la naturaleza de la celulosa (material del que se obtiene) y su bajo costa con respecto a otros poifmeros empleados en la industria del petroleo segun Chatterji y Borchardt (23 p2045) solo los precios de las gomas de Guar estan por debajo del correspondiente a la CMC En fluidos de perforacion se utiliza principal mente para suspensi6n de materiales densificantes y como reductor de filtrado en operaciones de empaquetamiento con grava y sellamiento de zonas Iadronas tambien es bastante utilizada (23 p2049) Este polimero es producido por la Industria Nacional de Colombia en tres grados77 (correspondientes a las unidades glucosfdicas presentes en el producto) Grado 1 (viscosidad alta) Grado 2 (viscosidad media) y Grado 3 (viscosidad baja) De estas diferentes calidades se derivarian efectos fundamentales sobre los fluidos en los cuales se emplee la CMC

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