INFORME DE LABORATORIO: CONTAMINANTES

Juliana Herona, Pablo Zuluagaa

aEstudiante de Ingeniería de Petróleos, Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín.

Mayo 25 de 2014_________________________________________________________________________________________________________

Resumen

El fluido de perforación cumple un papel muy importante durante la perforación, entre sus funciones más importantes está el control de la presión del subsuelo, retirar los cortes originados por el movimiento de la broca, entre otras. Del cumplimiento correcto de los objetivos del “lodo” depende gran parte del desempeño del trabajo, la seguridad de la perforación, de los instrumentos y de los operarios.

En el transcurso de la perforación algunos elementos se pueden adicionar al lodo, trayendo consecuencias no deseables, dichos elementos se denominan contaminantes, y su presencia es indeseable debido a los cambios que originan en las propiedades de interés.

Los contaminantes pueden ser cemento, bacterias bicarbonatos, carbonatos, gases ácidos, sales, y temperatura, cada uno conlleva un problema y por tal se debe aplicar un tratamiento para neutralizarlo, cada tipo de contaminante necesita un tratamiento especial por tanto es de vital importancia reconocer el tipo de contaminante y sus consecuencias. .

Un buen control sobre los contaminantes permitirá mantener el control sobre las propiedades del fluido de perforación, lo que es de vital importancia para garantizar el cumplimiento de cada una de sus funciones y permitir el óptimo desempeño durante la perforación.

Abstract

The drilling fluid plays a very important role during the drilling, among its most important functions is the control of the pressure of the subsoil, remove the cuts caused by the movement of the drill bit, among others. The correct implementation of the objectives of the "mud" largely depends on the performance of the work, the safety of the drilling operation, the instruments and operators.

In the course of drilling some elements can be added to the mud, bringing undesirable consequences, these items are called pollutants, and their presence is undesirable due to the changes that originate in the properties of interest.

The pollutants can be cement, bacterias, bicarbonates, carbonates, acid gases, salts, and temperature, each one carries a problem and for that you should apply a treatment to neutralize it, each type of contaminant you need a special treatment it is therefore of vital importance to recognize the type of contaminant and its consequences.

A good control over the pollutants will allow you to maintain control over the properties of the drilling fluid, which is of vital importance to ensure the fulfilment of each of its functions and allow the optimal performance during drilling.

Palabras clave: sal, contaminantes, cemento, propiedades, fluido.

Objetivos

Comprender la importancia del fluido de perforación, sus principales funciones al momento de perforar y como se pueden modificar las propiedades de éste para controlar y optimizar la operación.

Reconocer los diferentes tipos de contaminantes que afectan los lodos de perforación, los cambios en las propiedades básicas que estos ocasionan, e identificar los principales métodos de tratamiento que se emplean.

Examinar teórica y experimentalmente los efectos que los contaminantes tienen sobre las principales propiedades,

realizar las pruebas de filtrado, viscosidad y revisar el cambio de densidad para observar los cambios que se produjeron en el fluido de perforación.

Usar los conocimientos adquiridos previamente para realizar las medidas de densidad, viscosidad con el viscosímetro rotacional y la prueba de filtrado de forma correcta.

Reconocer los equipos de laboratorio y adquirir conocimientos sobre su correcto uso para el correcto montaje del método del plato poroso. Detectar posibles errores en los equipos a utilizar en el montaje de la prueba antes mencionada.

1. Introducción

Para garantizar el mejor desempeño del fluido de perforación, hay que estar en constante monitoreo de factores que puedan afectar las propiedades asociadas al cumplimiento de sus funciones, la adición de cualquier material indeseable trae consecuencias a dichas propiedades, además de que pueden generar desgastes extra en los instrumentos de trabajo. Conocer y controlar el contenido de contaminantes es de vital importancia para garantizar que el “lodo” cumpla a cabalidad su función.

Para establecer correctamente el tratamiento a realizar, hay que conocer primero el tipo de contaminante presente, cada contaminante trae diferentes consecuencias sobre las propiedades y requiere ser tratado de forma única.

En el presente informe se procederá a realizar un lodo de perforación bentónico de base agua, luego se sucederá a adicionarle algunos contaminantes para comparar el cambio en las propiedades. Las pruebas se realizaron en el laboratorio de fluidos de perforación perteneciente a la Facultad de Minas de la Universidad Nacional de Colombia, sede Medellín.

2. Marco Teórico

Cualquier elemento que se agregue al fluido de perforación de forma indeseable se le considera un contaminante, estos pueden alterar de forma considerable las propiedades del lodo de perforación, impidiendo que este cumpla sus funciones de forma correcta y adicionalmente pueden ocasionar corrosión y desgaste en los instrumentos de la sarta de perforación y equipo de superficie.

La principal fuente de contaminación del fluido de perforación son los sólidos que el mismo arrastra o en ocasiones son fluidos presentes en la formación que migran hacia el lodo. Algunos contaminantes comunes son: cemento, bacterias, carbonatos, bicarbonatos, gases ácidos, sales y temperatura.

La contaminación del fluido de perforación trae cambios en la densidad del mismo, el pH, la viscosidad, entre otros. El cambio en dichas propiedades dependerá del contaminante presente. Cada tipo de contaminante presenta un tipo de problema diferente: los gases ácidos son altamente corrosivos y tóxicos, los carbonatos aumentan el punto de cedencia y fuerza gel, el cloruro de sodio incrementa la fuerza gel y el punto de cadencia y además el filtrado y las bacterias pueden degradar material orgánico presente.

Como es de esperar para cada tipo de contaminante se diseña un tratamiento, es importante controlar el contenido de contaminantes, y mantener permanentemente inspeccionadas las propiedades del fluido, pues de estas depende el óptimo cumplimiento de las funciones del fluido de perforación, y a su vez el éxito en la operación está íntimamente ligado al efectivo cumplimiento de dichas funciones.

3. Procedimiento y equipos para preparar una prueba piloto y realizar la medición de densidad, viscosidad, fuerza gel y filtrado tanto para un fluido sin contaminantes como contaminado.

A continuación se describe el procedimiento teórico seguido para la preparación de una prueba piloto para un lodo base agua de densidad 8.6 lbm/gal.

ρ f=8.6lbmgal

V f =1<¿0.264 gal

Dadas las densidades del agua y de la bentonita respectivamente:

ρw=8.33lbmgal

ρb=21.66lbmgal

Se calculó la masa de bentonita y el volumen de agua a adicionar mediante las siguientes ecuaciones:

1). V b∗ρb+V w∗ρw=V f∗ρf 2). V b+V w=V f

Despejando V w de2¿ . y reemplazando en 1). Se obtiene:

V b∗ρb−V b∗ρw=V f∗ρ f−V f∗ρw

Y despejando V b se tiene que:

V b=V f (ρ f−ρw)(ρb− ρw)

=5.3514∗10−3 gal

Por lo tanto la masa de bentonita a adicionar es:

mb= ρb∗V b=0.116 lbm=52.6176 gr

Ahora, el volumen de agua a adicionar es:

V w=V f −V b=0.2586 gal=978.801 cm3

Una vez obtenidos estos valores se procedió experimentalmente así:

1. Medir la cantidad de agua y pesar la bentonita a adicionar.

2. Agregar el agua en el recipiente indicado para tal labor.

3. Llevarlo al agitador (mezclador). 4. Adicionar en pequeñas cantidades la bentonita

hasta conseguir una mezcla homogénea.

A partir de este procedimiento se obtuvo un fluido de

perforación de densidad 8.6 lbmgal

. Partiendo de este lodo se

midió densidad, viscosidad, fuerza gel y filtrado.

Posteriormente se lleva a cabo la adición de 3gr de sal y 4gr de cemento, elaborando así un fluido de perforación contaminado. En este re repiten las pruebas descritas a continuación.

Medida de densidad

Balanza de lodos: Es un instrumento que se usa para determinar la densidad del lodo, permite hacer mediciones con una incertidumbre de 0.1 lbm/gal y está diseñada de tal modo que la taza de lodo, que está en un extremo del astil, se puede balancear con un contrapeso fijo en el otro extremo. Está dotada de un mecanismo de desplazamiento que se mueve a lo largo de una escala graduada que permite leer directamente el valor de densidad garantizando precisión ya que cuenta con un nivel de burbuja que permite su balance.

Se sigue el siguiente procedimiento para la medición experimental de la densidad de un fluido de perforación utilizando la Balanza para lodos:

1. Asegurar que la base de la balanza de lodo esté nivelada sobre una superficie uniforme.

2. Llenar la taza hasta que reboce y taparla. Asegurarse de que parte del fluido sea expulsado a través del orificio en la tapa, para así liberar el aire o gas que haya quedado atrapado.

3. Limpiar el fluido que haya quedado en la parte exterior de la tasa.

4. Colocar el brazo sobre el soporte de la base y equilibrarlo, moviendo el jinete en la escala graduada hasta que la burbuja coincida con la línea central del nivel.

5. Registrar la densidad con una precisión de 0,1 lbm/gal o 0,5 Lbm/ft3 (0,01 g/cm3).

Medida de viscosidad y fuerza gel

Viscosímetro rotacional: se usa para determinar las propiedades reológicas del lodo, como la viscosidad plástica, punto de cedencia y fuerza gel. Es un instrumento de lectura directa, que esta constituido por un rotor que gira dentro una taza, impulsado por un motor eléctrico que actúa mediante un sistema de engranajes que hace girar el rotor a diferentes velocidades (en este caso 6 velocidades: 600, 300, 200, 100, 6, 3). Al girar el rotor, este produce cierto arrastre al bob, que es medido por un balanza de torsión e indica en la fuerza desarrollada en un dial.

Se sigue el siguiente procedimiento para la medición experimental de la viscosidad de un fluido de perforación utilizando el viscosímetro rotacional:

1. Se ubica la muestra de lodo en el recipiente adecuado y es sumergido en el rotor hasta la marca de referencia.

2. Se manipula el equipo para conseguir las velocidades del cilindro rotor deseadas, es decir, se registran las lecturas que muestra el cuadrante a 600, 300, 200, 100, 6 y 3 RPM, en dicho orden.

3. Registrar las lecturas de las velocidades anteriormente mencionadas cuando se halla estabilizado dicha lectura.

Para la medición de la fuerza gel se siguió el procedimiento:

1. Se introduce el fluido de perforación hasta la marca indicada durante 10 segundos a una velocidad de 600 RPM.

2. Se registra el máximo valor obtenido pasados estos 10 segundos.

3. Se deja en reposo el fluido durante 10 minutos, teniendo cuidado de dejar preparado el viscosímetro para accionarlo luego del tiempo dicho en una velocidad de 3 RPM.

4. Luego de los 10 minutos, accionar el viscosímetro rotacional a una velocidad de 3 RPM y registrar la máxima lectura marcada.

Prueba de Filtrado

Filtro prensa Lp-Lt: Se usa para determinar las propiedades de filtración o formación de cake de un lodo. La prueba de filtrado API se realiza a la temperatura ambiente y a una presión de 100psi, y los resultados se registran como número de mililitros perdidos en 30 minutos. La prensa filtro, consta principalmente de una celda cilíndrica que tiene un diámetro interno de 3 pulg. (76.2 mm) y una altura de por lo menos 2.5 pulg. (64 mm). Esta celda está fabricada de materiales resistentes a soluciones altamente alcalinas y está equipada para que, desde la parte superior, se le pueda inyectar y extraer un fluido a presión. Se coloca una hoja de papel de filtro, en el fondo de la celda, sobre una malla metálica y un soporte adecuado. Por debajo del soporte hay un tubo de drenaje para descargar el filtrado en un cilindro graduado. El sellado se hace en empaques, y todo el conjunto esta sostenido por un soporte. Se aplica presión con un fluido, bien sea gas o líquido. Las prensas están equipadas con reguladores de presión y ellas se pueden obtener con cilindros de presión portátiles, cartuchos de presión muy pequeños o medios para aplicar presión hidráulica.

Se sigue el siguiente procedimiento para la determinación de propiedades de filtración del fluido de perforación, mediante el empleo de la Prensa Filtro lp-lt.

1. Asegurar de que cada parte de la celda esté limpia (en especial la malla) y seca, y que los empaques no estén deformados o gastados.

2. Situar los empaques, la malla metálica y el papel de filtro en el fondo de la celda y sobre el soporte que la acompaña, vierta la muestra de fluido en la celda.

3. Colocar un cilindro graduado seco por debajo del tubo de drenaje para que reciba el filtrado.

4. Cerrar la válvula y ajustar el regulador de manera tal que se aplique una presión de 100 ± 1 psi (690 ± 6,9 kPa) en 30 minutos. El período de prueba se inicia en el momento de la aplicación de la presión.

5. Al final, medir el volumen de filtrado y suspender la fuente de presión.

6. Desmontar la celda y desechar el fluido, con extremo cuidado para guardar el papel filtro con un mínimo de perturbación del revoque.

7. Lavar el revoque sobre el papel, con un chorro de agua suave o con aceite diesel en el caso de los fluidos de base aceite.

8. Medir el espesor del revoque, sus características y registrar.

4. Cálculos y resultados

DATOS OBTENIDOS PARA LODO BASE AGUA + BENTONITA SIN CONTAMINANTES

Medición de densidad

Datos teóricos

ρlodo

Datos experimentales

ρlodo

mb(gr)

52.6176 gr 52.80 gr± 0.01 gr

V w

(cm3)978.801 cm3 978 cm3 ±5 cm3

ρlodo

( lbmgal )

8.6lbmgal

8.6lbmgal

± 0.1lbmgal

Tabla 1. Datos teóricos y experimentales medición de densidad lodo preparado (lodo base agua + bentonita) sin contaminantes.

Medición de Viscosidad con viscosímetro rotacional

Velocidad de corte (RPM)

Velocidad de corte (1/seg)

Esfuerzo de corte (Fann±0.

1)

Esfuerzo de corte

(lbf/100ft²)

600 1021.38 42 44.73

300 510.7 31 33.015

200 340.46 26 27.69

100 170.23 21 22.365

6 10.2138 16 17.04

3 5.1069 15 15.975

Tabla 2. Datos obtenidos prueba de viscosidad sin contaminantes.

Medida de fuerza gel

Tiempo de registro

Máxima medida registrada (Fann±0.1)

Máxima medida

registrada (lbf/100ft²)

10 segundos 13 13.845

REPOSO

10 minutos 15 15.975

Tabla 4. Datos obtenidos para la prueba de fuerza gel sin contaminantes.

Medición de filtración

Tiempo t (min) √ t

Volumen filtrado

(cm¿¿3)¿

3 1.73 8.8

6 2.45 11.8

9 3 14.4

12 3.46 16.6

15 3.87 18.4

20 4.47 21.4

25 5 23.8

30 5.48 26

Tabla 4. Datos obtenidos prueba de filtración sin contaminantes.

Posterior al proceso de filtración, se desechó el lodo de la celda y se analizó el cake formado sobre el papel filtro, tomando las precauciones necesarias para no alterar sus características. Se encontró que su espesor fue de 4.7 mm ± 0.05 mm y se observó un cake uniforme, con una consistencia gomosa en la parte inferior y blanda en la parte superior.

De acuerdo a la relación directamente proporcional que existe entre el volumen filtrado y la raíz cuadrada del tiempo, es posible obtener la gráfica presentada (Figura 1.) donde se observa la tendencia lineal.

Figura 1. √ t vs. Volumen filtrado (cm³)

Modelos Reológicos

A continuación se calcularon los parámetros respectivos para cada modelo reológico y se graficaron en las figuras a continuación.

Para los modelos reológicos las unidades usadas fueron:

μp encp τ y enlbf

1 00 ft2 γ en1s

Fluido Newtoniano

El modelo de fluidos Newtonianos está representado por la siguiente ecuación:

τ=μ∗dVdy

Figura 2. Ajuste de datos obtenidos al modelo Newtoniano.

Plástico de Bingham

El modelo plástico de Bingham está dado por la ecuación:

τ=μp γ+τ y

Donde:

μp=θ600−θ300=44.73−33.015=11.715

τ y=θ300−μp=33.015−11.715=21.3Finalmente,

τ=μp γ+τ y=11.715 γ+21.3

Figura 3. Ajuste de datos obtenidos al modelo plástico de Bingham.

Ley de potencia

El modelo de ley de potencias está dado por la ecuación:

τ=k∗γ n

Donde:

k=θ600

1022n=44.73

10220.438 =2.15

n=3.322 log( θ600

θ300)=3.322 log( 44.73

33.015 )=0.438

Por lo tanto:

τ=k∗γ n=2.15∗γ 0.438

Figura 4. Ajuste de datos obtenidos al modelo de ley de potencias.

Ley de potencia modificada

El modelo de ley de potencias modificada está dado por la ecuación:

τ=k∗γ n+τ y

Donde:

τ y=θ3=15.975

Por lo tanto, se tiene que:

τ=k∗γ n+τ y=2.15∗γ0.438+15.975

Figura 5. Ajuste de datos obtenidos al modelo de ley de potencias modificado.

DATOS OBTENIDOS PARA LODO BASE AGUA + BENTONITA CON CONTAMINANTES (CLORURO DE SODIO Y CEMENTO).

Medición de densidad

Datos teóricosρlodo

Datos experimentales

ρlodo

mb

(gr)52.6176 gr 52.80 gr± 0.01 gr

V w

(cm3)978.801 cm3 978 cm3 ±5 cm3

Contaminante: cemento 4.0 gr 4.03 gr ± 0.01 gr

Contaminante: cloruro de

sodio3.0 gr 3.02 gr ± 0.01 gr

ρlodo

( lbmgal )

- 8.7lbmgal

± 0.1lbmgal

Tabla 5. Datos teóricos y experimentales medición de densidad lodo preparado (lodo base agua + bentonita) con contaminantes.

Medición de Viscosidad con viscosímetro rotacional

Velocidad de corte (RPM)

Velocidad de corte (1/seg)

Esfuerzo de corte (Fann±0.

1)

Esfuerzo de corte

(lbf/100ft²)

600 1021.38 89 94.785

300 510.7 77 82.005

200 340.46 71 75.615

100 170.23 65 69.225

6 10.2138 37 39.405

3 5.1069 28 29.82

Tabla 6. Datos obtenidos prueba de viscosidad con contaminantes.

Medida de fuerza gel

Tiempo de registro

Máxima medida registrada (Fann±0.1)

Máxima medida

registrada (lbf/100ft²)

10 segundos 36 38.34

REPOSO

10 minutos 27 28.755

Tabla 7. Datos obtenidos para la prueba de fuerza gel con contaminantes.

Medición de filtración

Tiempo t (min) √ t

Volumen filtrado

(cm¿¿3)¿

3 1.73 15.6

6 2.45 21.8

9 3 26.4

12 3.46 30.8

15 3.87 34.6

20 4.47 39.8

25 5 44.8

30 5.48 48

Tabla 8. Datos obtenidos prueba de filtración con contaminantes.

Posterior al proceso de filtración, se desechó el lodo de la celda y se analizó el cake formado sobre el papel filtro, tomando las precauciones necesarias para no alterar sus características. Se encontró que su espesor fue de 12.30 mm ± 0.05 mm y se observó un cake uniforme, con una consistencia gomosa en la parte inferior y blanda en la parte superior.

De acuerdo a la relación directamente proporcional que existe entre el volumen filtrado y la raíz cuadrada del tiempo, es posible obtener la gráfica presentada (Figura 6.) donde se observa la tendencia lineal.

Figura 6. √ t vs. Volumen filtrado (cm³)

Modelos Reológicos

A continuación se calcularon los parámetros respectivos para cada modelo reológico y se graficaron en las figuras a continuación.

Para los modelos reológicos las unidades usadas fueron:

μp encp τ y enlbf

100 ft2 γ en1s

Fluido Newtoniano

El modelo de fluidos Newtonianos está representado por la siguiente ecuación:

τ=μ∗dVdy

Figura 7. Ajuste de datos obtenidos al modelo Newtoniano.

Plástico de Bingham

El modelo plástico de Bingham está dado por la ecuación:

τ=μp γ+τ y

Donde:

μp=θ600−θ300=94.785−82.005=12.78

τ y=θ300−μp=82.005−12.78=69.225

Finalmente,

τ=μp γ+τ y=12.78 γ+69.225

Figura 8. Ajuste de datos obtenidos al modelo plástico de Bingham.

Ley de potencia

El modelo de ley de potencias está dado por la ecuación:

τ=k∗γ n

Donde:

k=θ600

1022n=94.78510220.2=23.705

n=3.322 log( θ600

θ300)=3.322 log( 94.785

82.005 )=0.209 ≈ 0.2

Por lo tanto:

τ=k∗γ n=23.705∗γ 0.2

Figura 9. Ajuste de datos obtenidos al modelo de ley de potencias.

Ley de potencia modificada

El modelo de ley de potencias modificada está dado por la ecuación:

τ=k∗γ n+τ y

Donde:

τ y=θ3=29.82

Por lo tanto, se tiene que:

τ=k∗γ n+τ y=23.705∗γ0.2+29.82

Figura 10. Ajuste de datos obtenidos al modelo de ley de potencias modificado.

5. Análisis

Al comparar los resultados de densidad para el fluido de perforación elaborado (sin contaminantes), obtenidos de forma teórica y experimental no se obtuvo error. Se debe tener en cuenta que este resultado no introduce la incertidumbre de los instrumentos de medida; es decir, podría afirmarse que se minimizaron algunas causas de error.

Ahora, comparando la densidad del fluido sin contaminantes (8.6 lbm/gal) y la del fluido contaminado (8.7 lbm/gal), se evidencia un aumento de dicha propiedad. A razón de la adición de partículas sólidas, se incrementa en general la densidad del fluido; no obstante, la adición de sal efectúa una disminución de la densidad, puesto que la densidad del lodo es mayor que la densidad del agua salada. Esto indica que, al adicionar cemento se generaría un aumento de la densidad, caso contrario ocurre con la adición de sal, por lo que la densidad total se ve levemente afectada.

Para comparar los modelos reológicos y ajustar los fluidos de perforación preparados a uno de ellos, se calculó un porcentaje de error promedio. Este porcentaje de error permite verificar cual modelo se ajusta mejor al fluido en cuestión, de modo que se calcula el error promedio (mostrado en la siguiente ecuación) para cada uno y se busca cual de ellos arroja el mínimo error.

Donde:𝜏𝑖: tasa de corte medida

: tasa de corte calculada por el modelo en cada punto.

Realizando dichos cálculos se obtuvo que:

MODELO para fluido no contaminado

PORCENTAJE DE ERROR (%)

Newtoniano 99.26

Plástico de Bingham 98.33

Ley de potencias 65.74

Ley de potencias modificado

39.68

Tabla 9. Porcentajes de error para cada modelo reológico, caso fluido NO CONTAMINADO.

En el caso del fluido NO contaminado, se podría afirmar que el fluido de perforación se ajusta mejor al modelo de ley de potencias modificado, dado que tiene menor porcentaje de error que los demás modelos planteados. No obstante, esto

no implica que sea el único modelo con una buena aproximación.

MODELO para fluido contaminado

PORCENTAJE DE ERROR (%)

Newtoniano 98.34

Plástico de Bingham 93.05

Ley de potencias 2.77

Ley de potencias modificado

43.07

Tabla 10. Porcentajes de error para cada modelo reológico, caso fluido CONTAMINADO.

En el caso del fluido CONTAMINADO, se podría afirmar que el fluido de perforación se ajusta mejor al modelo de ley de potencias, dado que tiene menor porcentaje de error que los demás modelos planteados. No obstante, esto no implica que sea el único modelo con una buena aproximación.

Este cambio en el ajuste del fluido de perforación a un modelo reológico luego de la adición de contaminantes indica que éstos modifican las propiedades reológicas del fluido.

Realizando una comparación respecto a la viscosidad de ambos fluidos puede corroborarse que esta aumenta con la adición de contaminantes como cloruro de sodio y cemento. Este resultado obtenido era de esperarse, puesto que en la literatura se habla de un cambio ligero en viscosidad para sal y cemento, además de un aumento en el punto de cedencia. Si se compara este último en ambos fluidos se tiene que, para el fluido no contaminado dicho valor es 21.3, mientras que para el fluido contaminado es 69.225. Esto evidencia el aumento de las propiedades reológicas.

En el caso de la fuerza gel se obtuvo, en ambos casos, que al estar mayor tiempo en reposo se presentó mayor fricción entre el bob y el fluido, esto es, la viscosidad del fluido se ve afectada en el tiempo por efectos de esfuerzos de cizalla. Esto evidencia que se trata de un fluido tixotrópico, comprobado por los resultados experimentales que se obtuvieron. Adicionalmente, es una característica de los fluidos tixotrópicos que se requiera mayor esfuerzo para iniciar el movimiento luego de que se encuentra en reposo, es decir, el lodo desarrolla una consistencia gelatinosa cuando éste se encuentra en reposo debido a fuerzas de atracción que determinan el punto de cedencia, pero se relaciona a una condición del fluido de perforación cuando este se encuentra en reposo. La tixotropía del lodo usado depende de la concentración y el tamaño de las partículas sólidas suspendidas en él, por tanto es de esperarse que a mayor número de partículas en el lodo (caso de mayor densidad y viscosidad) su fuerza gel será mayor. Esto significa que el lodo contaminado, que tiene mayor cantidad

de sólidos incorporados, tenderá a tener mayor fuerza gel. Los resultados obtenidos comprueban lo establecido en la literatura y se demuestra que a mayor cantidad de contaminantes, mayor será la afectación en dicha propiedad. Además, la temperatura puede afectar dicha propiedad en presencia de contaminantes como el cemento.Para la prueba de filtrado, se infiere que el filtrado inicial de 7.2 cm³, es decir en el tiempo cero (t = 0), se debe a que en este tiempo no se ha formado cake, por lo que no hay ningún mecanismo que impida la filtración del fluido. A medida que el tiempo transcurre, se aumenta el espesor del cake y disminuye el filtrado obtenido. En la literatura se reportan valores de filtrado inicial menores a 2 ml para lodos base agua utilizando la prueba API estándar, afirmando que son indicativos de propiedades de buena calidad y lodos de baja filtración. Para el filtrado inicial obtenido, se puede afirmar que el lodo no tiene buena calidad y tiene alta filtración, corroborando que se encuentra contaminado.

Complementariamente, se reporta también aumento de filtrado con la presencia de sal y leve aumento con la presencia de cemento; comprobándose estas afirmaciones en los resultados obtenidos. Los iones hidroxilo producidos por el cemento aumentan el pH, logrando que el calcio (cemento) sea insoluble. Es por esto que un lodo muy contaminado puede tener propiedades de flujo típicamente bajas, debido a la reacción de intercambio de iones calcio, al alto pH, alta alcalinidad, alto Pm, bajo calcio de filtrado y al filtrado generalmente alto, según la concentración química del lodo. Además, dado que se presenta mayor filtrado en presencia de contaminantes, es lógico esperar un cake de mayor espesor como el encontrado (12.3mm), aunque éste esté relacionado con la presencia de arcillas. Este revoque grueso y alto filtrado puede desencadenar pegas diferenciales, reducción de espacio anular en el hueco, daños a la formación, dificultades en la evaluación de la formación, entre otros.

Esto permite concluir que el grado de contaminación con cemento y la severidad con que afecta las propiedades del lodo dependerá de la cantidad de cemento incorporada, del contenido de sólidos y tipo y concentración de dispersantes. Además, el cemento contiene compuestos que al reaccionar con el agua, forman grandes cantidades de hidróxido de calcio (Ca(OH)2); siendo esta cal producida la que causa la mayor dificultad en la contaminación con cemento.

En el caso de la contaminación por sal, el lodo es afectado por efectos electrolíticos, que cambia la distribución de la carga eléctrica en la superficie de la arcilla y promueve la floculación, ocasionando pérdidas de filtrado y aumentos en las propiedades reológicas. A medida que se tiene mayor cantidad de sal, los iones Na y Cl¯ se agrupan en la⁺ superficie de las arcillas y mediante la reacción de masa, tienen la tendencia a deshidratar los sólidos reactivos del fluido. Por tal motivo, las arcillas se encojen (deshidratan) ocasionando aumento de viscosidad, aumento de pérdida de filtrado y disminución de densidad. El grado de afectación será determinado por la cantidad de sal incorporada al fluido. No obstante, la cantidad adicionada de sal fue disuelta en el lodo, ya que la sal es soluble en agua y cerca de 310 kg/m3 (109 lpb) son necesarios para saturar agua a 20°C (68 °F),

esto significa que el grado de contaminación fue menor y que .

Finalmente, se hace necesario mencionar algunos causales de error que podrían afectar los resultados obtenidos experimentalmente como son:

Pérdida de agua, bentonita contaminantes en alguna parte del proceso, principalmente durante al agitación.

Error o imprecisión de los operarios en la toma de volumen de agua y masas de bentonita y contaminantes.

Inadecuada calibración de los equipos. Errores en el método de medida, es decir

imprecisión de los instrumentos. Desprecio de cifras significativas.

6. Conclusiones

Se identificaron contaminantes importantes de los fluidos de perforación como sal y cemento, y sus respectivos efectos en las propiedades del mismo como aumento de propiedades reológicas, alto filtrado, aumento de densidad y de viscosidad, entre otras.

Se realizaron correctamente las pruebas de densidad, viscosidad, fuerza gel y filtrado para el lodo antes y después de la contaminación con cemento, utilizándose adecuadamente los instrumentos para alcanzar datos de alta confiabilidad.

Se analizaron diversas causas de error y otros sucesos que pudieron haber afectado los resultados obtenidos.

Se reconocieron y usaron adecuadamente los diferentes equipos del laboratorio. Además, se tuvo conocimiento sobre recomendaciones que le proporcionan efectividad al proceso.

7. Bibliografía

Baroid. Manual de Fluidos. Huston, USA. 1997.

Baker Hughes INTEQ. FLUID Facts Engineering Handbook. Marzo, 1998. pág. 2-11.

BEDOYA MORENO, M. I; CARDONA LAMPION, N. Estudio comparativo de modelos reológicos para lodos de perforación. 2009

Bourgoyne, Adam. Applied drilling engineering. Society of petroleum engineers. 1991. p. 53-54.

Guevara, H.E. Manual digital de lodos. Compañía MARBAR S.R.L.

SCHLUMBERGER. Drilling school. Tecnología de perforación. P 94-112.

PRIETO A, MOLERO J, RIVAS A. Manual De fluidos de perforación”. Petróleos de Venezuela S.A PDVSA. 2002.

YANAGAWA, K; NUNOURA, T; TAKAI, K. The first microbiological contamination assessment by deep-sea drilling and coring by the D/V Chikyu at the Iheya North hydrothermal field in the Mid-Okinawa Trough (IODP Expedition 331). Front Microbiol, 2013.

ANDREWS, J; BECK, G. Cuantificación de la contaminación utilizando el color del crudo y del condensado. 2002.

8. Actividades complementarias

8.1. Consultar acerca del uso de la bentonita prehidratada para el tratamiento en ciertos tipos de contaminación. En qué se diferencia la montmorillonita de la bentonita pre-hidratada?

Las arcillas, al estar en contacto con contaminantes como la sal, deshidratan los sólidos reactivos como la bentonita del fluido de perforación (en este caso se da por la agrupación de los iones en la superficie de las arcillas y la reacción de masa). Esta deshidratación produce aumentos de viscosidad y pérdidas de filtrado. Por tal motivo, se usa bentonita prehidratada, con el fin de evitar esta rápida deshidratación. El término bentonita se usa para describir la montmorillonita sódica explotada comercialmente (la cual constituye una forma de esmectita) que se usa como aditivo para el lodo de perforación. La montmorillonita sódica (bentonita de Wyoming, M-I GEL y M-I GEL SUPREME) también se añade normalmente a un lodo para aumentar la viscosidad y reducir el filtrado. Las propiedades de filtración y reológicas del lodo dependen de las cantidades de las diferentes arcillas contenidas en el lodo. Como la montmorillonita es añadida intencionalmente a un lodo para controlar estas propiedades, los otros tipos de arcillas pueden ser considerados como contaminantes, visto que no son tan eficaces como una arcilla comercial. Su diferencia principal es la hidratación, puesto que la montmorillonita es bentonita seca.

8.2. En qué consiste el análisis GGT, Para analizar qué tipo de contaminantes es utilizada? Esquematizar la prueba GGT según la norma API.

PRUEBA DEL TREN DE GAS DE GARRETT (GGT) PARA CARBONATOS.Propósito: Este procedimiento utiliza el Tren de Gas de Garrett, analizando los carbonatos solubles en una muestra de filtrado de un fluido de perforación base agua. El tubo Dräger de CO2 responde al gas CO2 que pasa por él, volviéndose morado. La longitud de la mancha depende principalmente de la cantidad de CO2 presente, pero también es sensible al caudal y al volumen total de gas que pasa a través del tubo. Por lo tanto, para obtener resultados más precisos, el gas que sale del tren de gas debe primero ser capturado en una bolsa 1- 1 para permitir que el CO2 se mezcle uniformemente con el gas portador. Los tubos

Dräger de CO2 son muy sensibles al uso incorrecto. El filtrado no debe contener sólidos. Por lo tanto se debe desechar el primer chorro de filtrado, porque éste puede contener partículas de CaCO3 que pueden causar errores por sobreestimación. Se hace pasar el contenido de la bolsa desde la bolsa a través del tubo Dräger mediante 10 carreras de la bomba de mano Dräger. Esta técnica producirá la aspiración de un volumen exacto de 1 litro de gas a través del tubo.

Equipo1. Agua desionizada.2. Antiespumante de alcohol octílico.3. Ácido sulfúrico, aproximadamente 5 N, de calidad para reactivos.4. Aparato del Tren de Gas de Garrett.5. Tubo de análisis de CO2 Dräger, marcado “CO2 100/a” de 100 a 3.000 ppm. Factor = 2,5 (verificar si el factor ha cambiado).6. Bolsa 1-1 Dräger, nº 762425.7. Bomba manual de vacío del “Detector de Múltiples Gases” Dräger.8. Llave de paso de cristal, 8 mm, calibre de dos vías.9. Jeringas hipodérmicas: una de 10 ml con una aguja de calibre 21 (para el ácido), una de 10 ml, una de 5 ml y una de 2,5 ml.10. Cartuchos de gas N2O. También se puede usar gas de nitrógeno o helio en botellas. Estos cartuchos no deben ser usados en ninguna otra prueba.

Procedimiento1. Verificar que el tren esté limpio, seco y sobre una superficie nivelada.2. Con el regulador aflojado, instalar y perforar un cartucho de N2O. No se debe usar el aire comprimido o un cartucho de CO2.3. Añadir 20 ml de agua desionizada a la Cámara 1.4. Añadir 5 gotas de antiespumante a la Cámara 1.5. Instalar la parte superior sobre el tren de gas y apretar a mano uniformemente para sellar todas las juntas tóricas.6. Conectar el tubo flexible del regulador sobre el tubo de dispersión de la Cámara 1.7. Inyectar una muestra de filtrado medida con precisión dentro de la Cámara 1, usando la jeringa (ver la Figura 13). Hacer circular el gas portador a través del tren durante 1 minuto, para purgar el aire del sistema. Interrumpir el flujo de gas.8. Instalar un extremo de un tubo flexible dentro de la llave de cierre que está conectada directamente dentro de la bolsa de gas. La bolsa de gas debe estar completamente desinflada. Acoplar el otro extremo del tubo con el tubo de descarga de la Cámara 3.9. Inyectar lentamente 10 ml de ácido sulfúrico dentro de la Cámara 1 a través del diafragma de caucho, utilizando la jeringa hipodérmica y la aguja. Agitar con cuidado el tren de gas para mezclar el ácido con la muestra en la Cámara 1.10. Abrir la llave de paso del lado de la bolsa de gas. Reanudar lentamente el flujo de N2O y dejar que la bolsa se llene. Evitar de reventar la bolsa una vez que esté llena, interrumpir el flujo de N2O y cerrar la llave de paso. Pasar inmediatamente a la Etapa 11.

11. Retirar el tubo de la descarga de la Cámara 3 e instalarlo de nuevo en el lado corriente arriba del tubo Dräger de CO2, después de desconectar las extremidades del tubo Dräger (obsérvese que la flecha indica la dirección de flujo del gas). Conectar la bomba manual Dräger al otro extremo del tubo Dräger. 12. Abrir la llave de paso en la bolsa. Ejerciendo una presión con la mano, apretar completamente la bomba manual y soltar para que el gas salga de la bolsa y pase a través del tubo Dräger. Operar la bomba manual dando 10 carreras, lo cual debería esencialmente vaciar la bolsa de gas.13. La presencia de una mancha morada en el tubo Dräger significa que CO2 estaba presente dentro de la bolsa de gas. Registrar la longitud de la mancha en unidades marcadas sobre el tubo Dräger.

8.3. Cada uno de los grupos hará un búsqueda completa de un contaminante, esta debe incluir cambios observados en el fluido de perforación, tratamientos utilizados (que aditivos son utilizados) y su efecto. Sugerencia: apoyar esta numeral en un paper. Los contaminantes sugeridos son:

Grupo 3: Bacterias Los microorganismos pueden causar fermentación de aditivos orgánicos del lodo, cambiando la viscosidad y reduciendo el pH. Un olor ácido y gas son otros indicadores de la presencia de bacterias. La degradación de aditivos del lodo puede ser causa de un aumento de los costos de mantenimiento. Los productos secundarios de las bacterias son el dióxido de carbono y el sulfuro de hidrógeno que son los principales causales de corrosión. La presencia de bacterias aeróbicas es determinada por el análisis fenol-suero rojo. La presencia de bacterias anaeróbicas se determina por análisis con suero anaeróbico marino. Se usan microbiocidas para controlar el desarrollo de bacterias en los lodos de perforación. Los productos recomendados para controlar las bacterias son:

C ALDACIDE G C Polvo biocida con base de Isothiazolone

La degradación bacteriana de es causada por alguna bacteria durante la etapa de desarrollo y por supuesto, requiere condiciones apropiadas (minerales, potencial de hidrógeno adecuado y temperatura), así como de agua como fuente de vida. Al suspender alguna de estas condiciones se evitará el desarrollo de las mismas.

El control de pH del lodo de perforación es uno de los factores más importantes para prevenir la degradación bacteriana, ya que las bacterias se desarrollan a bajas temperaturas y en un pH entre 5 y 9.

Para su tratamiento se usan bactericidas, que son aditivos que matan las bacterias. Los bactericidas son de uso frecuente en lodos base agua que contengan almidones y encimas que son especialmente vulnerables al ataque bacteriano. Las opciones de bactericidas son limitadas y hay que tener cuidado para encontrar aquellos que sean eficaces (deben haber sido aprobados por los gobiernos y política medioambiental de la empresa). Los bactericidas son también llamados biocidas y se puede utilizar para controlar bacterias sulfato-reductoras, limo-bacterias formadoras de hierro y bacterias oxidantes que ataquen los polímeros.