FLUIDOS DE PERFORACIN

ESCUELA POLITCNICA NACIONALFLUIDOS DE PERFORACINIng. Joana Martnez

COMPOSICIN DE LOS FLUIDOS DE PERFORACIN31.1Composicin de un fluido a base de agua31.1.1Fase lquida.31.1.2Fase coloidal o reactiva.31.1.3Fase inerte.41.1.4Fase qumica4CLASIFICACIN DE FLUIDOS DE PERFORACIN51.2FLUIDOS A BASE DE AGUA51.2.1Lodos a base de agua dulce61.2.1.1Lodos a base de bentonita (CBM = Clay Base Mud).61.2.1.2Fluidos naturales.61.2.2Fluidos tratados con calcio.71.2.3Fluidos a base de agua salada.71.2.3.1Fluidos salados propiamente dichos.71.2.4Fluidos emulsionados (aceite en agua).81.2.4.1Agentes emulsionantes para los fluidos emulsionados.91.2.5Fluidos surfactantes.91.2.6Fluidos de bajo porcentaje de slidos.10

COMPOSICIN DE LOS FLUIDOS DE PERFORACIN

La composicin de un fluido de perforacin que cumpla con los requerimientos pedidos es determinada por su actuacin durante la perforacin, si el fluido falla en realizar una funcin esencial, se puede alterar su composicin para cumplir los cambios deseados en las propiedades necesarias para resolver el problema.

Aunque se usan tres tipos de fluidos para la perforacin-lodos a base de agua, lodos de aceite, y fluidos gaseosos-debera prestarse mayor atencin a las propiedades y al, acondicionamiento de los lodos a base de agua porque ellos se usan extensivamente.

Composicin de un fluido a base de agua

La mayora de los fluidos de perforacin son a base agua se distingue porque la fase continua es el agua en las que se encuentran las arcillas y la barita en suspensin, estos lodos forman un sistema constituido bsicamente por las siguientes fases: a) La fase lquida, o agua, b) La fraccin coloidal, que es la porcin reactiva, c) La fraccin inerte,que consiste en arena, material de peso, y d) La fase qumica.

Fase lquida.

Constituye el elemento de mayor proporcin que mantendr en suspensin los diferentes aditivos que forman las otras fases. Esta fase puede ser agua (dulce o salada); o una emulsin (agua-petrleo).

Agua dulce y agua salada. El agua dulce es llamada agua potable, se llama agua dura si contiene grandes cantidades de iones de calcio y de potasio. El agua salada contiene sobre 10,000 ppm de cloruro de sodio. La bentonita y las otras arcillas se dispersan ms fcilmente en agua dulce que en agua salada o dura.

Fase coloidal o reactiva.

Esta fase est constituida por la arcilla, que ser el elemento primario utilizado para darle cuerpo al fluido. Se utilizan dos tipos de arcilla dependiendo de la salinidad del agua. Si el lodo es de agua dulce se utiliza montmorillonita, y para lodos elaborados con agua salada se utiliza una arcilla especial, cuyo mineral principal es la atapulgita.

La viscosidad derivada de una arcilla depende del tipo de arcilla encontrada.Cuando la arcilla se coloca en el agua absorbe agua y se hidrata, algunas arcillas como la ilita y la caolinita absorben agua solamente en su superficie, por lo tanto la hidratacin es mnima.

La bentonita (montmorillonita) se expanden en mayor grado en agua dulce debido a la absorcin de agua a lo largo y entre las estructuras de las arcillas, este fenmeno se denomina hinchamiento a mayor hinchamiento mayor viscosidad.

El grado de hinchamiento de la bentonita es disminuido por el aumento de electrolitos en el agua alrededor de las partculas de arcillas, por lo tanto un alto contenido de sal disminuye la viscosidad para una determinada porcin de bentonita.

Las arcillas de formacin pueden ser no-reactivas o pueden contener un alto contenido de bentonita, dependiendo de edad geolgica y profundidad. Al entrar en el sistema las arcillas pueden existir en cuatro estados diferentes.

Las caractersticas reolgicas y la filtracin dependen grandemente de las fuerzas entre las partculas, as como tamao, forma y concentracin.

El trmino agregacin describe la asociacin de las partculas para formar paquetes de plateletes.

La dispersin sucede cuando los plateletes son separados unos de otros por hidratacin y agitacin, las fuerzas de repulsin entre las caras de los plateletes son el factor predominante de la dispersin.

Ocurre floculacin cuando despus de estar dispersas las partculas se pegan en forma de borde-cara o borde-borde para formar estructuras dbiles.

La desfloculacin ocurre cuando las fuerzas atractivas entre las partculas han sido neutralizadas por medios qumicos o fsicos.

La atapulgita (arcilla para agua salada), a diferencia de otros tipos de arcillas, se puede usar para viscosificar y desarrollar gelatinosidad en agua con alta concentracin de sal.

La atapulgita posee una estructura cristalina en forma de aguja que origina viscosidad de acuerdo a una estructura en forma de cepillo, por lo tanto este material no puede sermconsiderado en las anteriores categoras.

Fase inerte.

Esta fase est constituida por el material densificante (barita), el cual es sulfato de bario pulverizado de alta gravedad especfica (4.2). Los slidos no deseables como la arena y slidos de perforacin, tambin se ubican dentro de esta fase.

La barita en el fluido es necesaria para aumentar la densidad cuando se requiere.Fase qumica

Est constituida por iones y sustancias en solucin tales como dispersantes, emulsificantes, slidos disueltos, reductores de filtrado, y otras sustancias qumicas, que controlan el comportamiento de las arcillas y se encargan de mantener el fluido segn lo requerido por el diseo.

CLASIFICACIN DE FLUIDOS DE PERFORACIN

Los fluidos a base de agua pueden ser subdivididos en diferentes tipos casi en su totalidad.

FLUIDOS A BASE DE AGUA

Los fluidos a base de agua son los que ms se usan comnmente. Sus ingredientes esenciales son el agua y arcillas, segn se presentan problemas el fluido puede ser inhibido para combatirlos.

Un fluido inhibido es aquel cuya base acuosa tiene una composicin qumica que tiende a retardar o eliminar el hinchamiento o dispersin de la lutita y arcillas de formacin en el fluido, mediante mtodos fsicos o qumicos.

Los sistemas de fluidos base agua se clasifican por la resistencia a los tipos de contaminantes de la formacin y a sus temperaturas, los cuales se van transformando en su formulacin debido a la incorporacin de flujos como gases, sal, arcillas, yeso, lquidos y slidos propios de la formacin o de aditivos qumicos excedidos y degradados.

Lodos a base de agua dulce

Lodos a base de bentonita (CBM = Clay Base Mud).

Estos lodos son los ms usados para perforar las secciones superficiales del hueco para formar revoque en las paredes del hueco y prevenir derrumbes y ensanchamientos.

Para preparar este tipo de fluido se debe tener en cuenta el agua a usarse. Si el agua disponible es agua dura, se debe tratar previamente con soda ash para dar mayor rendimiento a la bentonita, 20 sacos de bentonita (100 lb/saco) hacen de 80 a 100 bbls de fluido de ms o menos 15 cp de viscosidad. La velocidad anular en el primer hueco es generalmente baja y la mayora de las compaas usan suficiente bentonita para dar cuerpo al lodo y remover mejor los cortes de formacin.

Para preparar este fluido el agua se coloca en los tanques y se circula a travs del embudo donde la bentonita es mezclada cuidadosamente a una rata de 2 a 15 minutos por saco. Si se observa grumos y pelotas flotando en la superficie indica que se ha mezclado la bentonita muy rpidamente y se debe usar las escopetas para batir el fluido.

Se debe mezclar bentonita hasta que la viscosidad de embudo sea de 30 a 35 seg.

Algunas veces se mezcla agua y bentonita y luego se agrega cal, la cal espesa el fluido y se necesita menos bentonita para conseguir la viscosidad deseada.

Fluidos naturales.

Son aquellos que se componen de agua y arcillas perforadas y que necesita muy poco tratamiento qumico y poca cantidad de bentonita agregada intencionalmente.

Como dice el MANUAL de Baker Hughes Formation Damage Prevention and Remediation Technology: Este tipo de fluido es el ms comn para perforar el hueco superficial y las zonas blandas debajo del revestidor superficial. Sin embargo, este tipo de lodo debe ser usado solamente en aquellas tareas donde las formaciones a perforar contengan una buena cantidad de arcillas montmorillonita.

Los fluidos naturales requieren de un gran volumen de agua para mantener el peso y la viscosidad en el rango deseado.

Si se deja aumentar en peso y la viscosidad del fluido, se reduce la rata de penetracin y se hace correr ms el riesgo de que se pegue la tubera o que se fracture la formacin.As tengamos el peso del fluido en el tanque de succin suficientemente bajo, la carga de ripios del fluido en el anular puede aumentar el peso seriamente si se perfora muy rpido en un hueco grande.

Por ejemplo si se perforan 30 pies de hueco de 12-1/4 en un minuto, la rata de circulacin es 600 gal /min y el peso del fluido es de 9.5lb/gal, el peso de los ripios es equivalente a 6.4 libras por cada galn de fluido, lo cual resultara en un peso de 12.2 lb/gal, con este peso equivale de fluido en el anular es factible que ocurra un pegamiento por presin diferencial o una prdida de circulacin, se debe usar el equipo de control de slidos .

Se puede reducir el incremento del peso del fluido en el anular debido a los ripios, aumentando la rata de circulacin o disminuyendo la rata de perforacin.

Fluidos tratados con calcio.

Los fluidos tratados con calcio fueron muy comunes en las dcadas del 40 y 50, ahora se usa muy poco desde la invencin de los cromolignosulfonatos.

Los fluidos que contienen cantidades significantes de calcio, 100 a 1200 ppm, tienden a inhibir el hinchamiento de la lutitas. Esta propiedad es importante para controlar derrumbes de lutitas y ensanchamiento del hueco.

El calcio es necesario para convertir un sistema a base de calcio, es obtenida de cal hidratada, yeso o cloruro de calcio; o puede prevenir de la perforacin de zonas de calcio soluble, o cemento. El agua de mar contiene cierta cantidad de iones calcio o magnesio.

El problema ms serio que se presenta con los fluidos a base de calcio es la severa gelatinizacin que ocurre a altas temperaturas y alto pH.

Fluidos a base de agua salada.

Los fluidos a base de agua salada son los que contienen sobre 10000 ppm de sal en su composicin y que no han sido convertido a otro tipo de lodo como lignosulfonato o a base de cal.

Se usan los fluidos salados o a base de agua de mar cuando la fase acuosa contiene una baja concentracin sal resultante del uso de agua salada durante la perforacin y mantenimiento, de un flujo de agua salada de formacin o de pequeas betas de sal encontradas durante la perforacin, cuando se encuentran domos de sal, se debe usar fluidos saturados de sal para prevenir el ensanchamiento del hueco.

Fluidos salados propiamente dichos.

La contaminacin, por sal a un en pequeas cantidades flocula los fluidos a base de agua dulce y aumentar la rata de filtracin, la bentonita se hidrata (o se hincha) menos al agregarse a aguas que contienen sobre 10000 ppm (1%) de sal.

Debido a que la bentonita y arcillas comunes usadas para aumentar la viscosidad de los lodos no son efectivas en agua salada, se usan arcillas especiales (atapulguita) y asbestos para este propsito. Estos materiales desarrollan unas propiedades de suspensin y de acarreo adecuado, pero no imparte una apropiada rata de filtracin, generalmente se debe acompaar la atapulguita con bentonita prehidratada para ayudar a bajar la filtracin y para reducir la espuma causada por la atapulguita.

La caracterstica ms comn de los fluidos a base de agua salada es la tendencia a producir espuma, existe antiespumante para controlar este tipo de problemas.

Los adelgazadores ms comunes usados en fluidos en base de agua salada son los lignosulfonatos, pero algunas veces se usan taninos modificados para este propsito.

Es conveniente hacer notar que la sal no puede ser tratada para precipitarla como se hace con otros contaminantes, solo se debe ajustar las propiedades para cumplir con las funciones adecuadas.

Fluidos emulsionados (aceite en agua).

Un fluido emulsionado es aquel fluido a base de agua que contiene aceite (gasoil) suspendido en forma de pequeas gotas en la fase acuosa del lodo.

El agua formar la fase lquida externa o continua; mientras que el aceite formar la fase interna o discontinua. A este tipo de lodos se les denomina tambin emulsin o GEOM.

Es de primordial importancia que la emulsin sea estable y que no se absorbe gasoil libre en la superficie de los tanques. Para lograr dicha estabilidad es necesaria la presencia de agentes emulsionantes.

Algunas emulsiones estables dan origen a un filtrado nublado lo cual es debido a la presencia de gotitas de aceite pequeas y bien dispersas que han penetrado el revoque y el papel filtro. Mejorando las condiciones de revoque se puede evitar la aparicin de emulsin en el filtrado.

Los mayores beneficios que se consiguen con el uso de fluidos emulsionados son;

a) Mejorar las condiciones del hueco.

Disminuye el torque de 20 a 50%, disminuye la presin de la bomba debido a que hay menos tendencia a embolamiento, es decir, la mecha y el ensamblaje de fondo son mantenidos limpios. Se observa menos tendencia del hueco a ensancharse, menos derrumbes de lutitas y menos oportunidad de pega de tubera.

b) Aumenta la vida de la mecha.

Los fluidos emulsionados poseen una mejor capacidad de lubricacin que los fluidos comunes a base de agua, esta lubricacin ayuda a extender la vida til de los conos de las mechas.

c) Aumenta la rata de penetracin.

Al usar fluidos emulsionados se puede observar un aumento en la rata de penetracin lo cual resulta de la mejor limpieza, menor embolamiento de la mecha y drill collars.

d) Disminuye la rata de filtracin.La prdida de filtrado API es menor en los fluidos emulsionados que en los fluidos ordinarios a base de agua.

En general este tipo de lodos emulsionados se puede esperar que reaccionen a los tratamientos y a los contaminantes y al igual que sucede en los fluidos comunes a base de agua, sin embargo se deben observar las siguientes restricciones:

1) La presencia de aceite en el fluido causar una fluorescencia tanto en los ncleos como en los ripios, especialmente si estos no son lavados durante el proceso de su anlisis. Esta fluorescencia es obviamente diferente de aquella originada por el petrleo de formacin, si el aceite usado en el fluido ha sido previamente refinado.

2) El efecto del aceite sobre las mangueras, gomas y partes de las bombas puede ser minimizado con el uso de gomas sintticas y que el aceite usado tanga un punto de anilina mayor de 150F.

3) El punto de inflamacin (flash point) del gasoil debe estar por encima de 190F.

Agentes emulsionantes para los fluidos emulsionados.

Es imposible preparar un lodo emulsionado mezclando simplemente agua y gasoil, por lo tanto se debe tener la presencia de un emulsionante. Todos los slidos de tamao coloidal de un fluido a base de agua pueden servir como agentes emulsionantes.

Estos incluyen bentonita, partculas inertes como barita, colindes orgnico como el almidn y CMC, y los dispersantes orgnicos. La naturaleza y el grado de dispersin de estos slidos afectan la estabilidad de la emulsin.

En la prctica se emplean un gran nmero de sustancias como agentes emulsionantes como los siguientes:

Adelgazadores orgnicos: Lignitos, quebracho y lignosulfonatos. Estos materiales desfloculan el fluido bsico y actan adems como agentes emulsionantes.

Coloides orgnicos hidratados: Almidn y CMC.

Agentes activos de superficie (surfactantes): Aninicos (jabones, sulfonato de petrleo, etc.), no-inicos (emulsionadotes de fluido), mezcla de compuestos aninicosno-inicos (emulsificadores de fluido de bajo contenido de slidos).

Fluidos surfactantes.

Los fluidos a base de surfactantes se desarrollan principalmente para reemplazar los fluidos tratados con calcio cuando las altas temperaturas empezaron a ser problema.

Ahora no son muy usados ya que han sido reemplazados por los fluidos lignosulfonatos.Fluidos de bajo porcentaje de slidos.

Son aquellos que contienen menos de un 6% en volumen de slidos. Tcnicamente "Un sistema de lodo de bajo contenido de slidos no debe contener ms de 4% de slidos bentonticos y deben exhibir una relacin slidos perforados / bentonita menor de 2:110