BOLILLA N°8USO DE MINERALES EN PERFORACIONES

Introducción.

Las perforaciones se pueden definir en forma general como la realización de un pozo, sondeo u orificio en el subsuelo por medio de alguna herramienta o sistema perforante, con una finalidad determinada.

Existen distintos tipos de perforaciones: petroleras, mineras, hídricas, geotécnicas, geotérmicas e ingenieriles, cada una para un propósito definido, utilizando equipos de diversa envergadura, con características propias. Por su magnitud, los equipos perforantes mas grandes y costosos son los que se utilizan en la actividad petrolera, exceptuando por supuesto, las tuneleras especiales que se emplean excepcionalmente en la construcción de túneles atravesando, ríos estrechos o montañas.

Las perforadoras de túneles taladran la roca con un cabezal de corte. El cabezal giratorio, que puede tener más de 5,5 m de diámetro, está dotado de varias cuchillas diamantadas en forma de disco. A medida que la máquina va perforando la roca, unas cintas transportadoras alejan los fragmentos del cabezal. Según avanza la perforadora se construyen nuevos segmentos de hormigón para revestir y sostener el túnel. Los segmentos ofrecen además una superficie firme para que se apoye la perforadora, que a veces avanza a más de 5 m por hora.

Por la importancia específica que tiene el uso de algunos minerales en las perforaciones petroleras, en esta oportunidad se tratarán solamente las mismas, prescindiendo de los otros tipos de perforaciones anteriormente señaladas.

Las perforaciones petroleras perforan normalmente para encontrar petróleo o gas, dos recursos del reino mineral. Se pueden distinguir distintos tipos de equipos perforantes, los que perforan o sondean en tierra o costa afuera, en el mar. Los mismos pueden ser grandes, que perforan pozos profundos (7.000 m. o más), o relativamente pequeños, que perforan pozos menos profundos (1.500 – 3.000 m. Se distinguen 6 tipos de torres de perforación: terrestres, autoelevadizas, plataformas, sumergibles,

Cabina de control

semisumergibles y buque de perforación, todas ellas con características particulares y otras en común.

Perfoforación terrestre. Pozo Guadalupe X 1001 – Prof. Salvador Mazza.

Entre las características comunes que poseen estos equipos están sus principios de funcionamiento, sarta de herramientas y circuitos de los lodos de inyección. Se presenta a continuación un esquema generalizado de los componentes básicos de un equipo perforante:

Sistema de Circulación11. Tanques de lodo 2. Bombas de lodo 3. Tubo vertical14. Manguera de perforación 5. Almacenamiento de lodo a granel16. Línea de retorno de lodo 7. Zaranda18. Deslimador19. Desarenador 10. Desgasificador 11. Tanques de reserva

Equipo Rotatorio12. Unión giratoria 13. Kelly 14. Buje de junta Kelly 15. Mesa rotatoria

Sistema de Levantamiento16. Bloque de corona 17. Plataforma del torrero 18. Bloque viajero19. Gancho 20. Malacate 21. Subestructura 22. Cable de perforación

Equipo de Control de Pozo23. Preventor anular 24. Preventores de reventones de ariete 25. Unidad de acumulación 26. Múltiple de estrangulamiento 27. Separador de lodo-gas

Sistema de Energía28. Generadores

Tuberías y Equipo de Manejo de Tuberías29. Tarimas para tuberías 30. Planchada 31. Puerta central 32. Ratonera

Varios33. Caseta 34. Sótano 35. Cable de levantamiento

Perspectiva esquemática de un equipo de perforación rotatoria (según Petex).

Las funciones del fluido de perforación describen las tareas que el fluido de perforación es capaz de desempeñar, aunque algunas de éstas no sean esenciales en

cada pozo. La remoción de los recortes del pozo y el control de las presiones de la formación son funciones sumamente importantes. Aunque el orden de importancia sea determinado por las condiciones del pozo y las operaciones en curso, las funciones más comunes del fluido de perforación son las siguientes:

1. Retirar los recortes del pozo.2. Controlar las presiones de la formación. 3. Suspender y descargar los recortes. 4. Obturar las formaciones permeables.5. Mantener la estabilidad del agujero. 6. Minimizar los daños al yacimiento. 7. Enfriar, lubricar y apoyar la barrena y el conjunto de perforación. 8. Transmitir la energía hidráulica a las herramientas y a la barrena.9. Asegurar una evaluación adecuada de la formación. 10. Controlar la corrosión. 11. Facilitar la cementación y la terminación. 12. Minimizar el impacto al ambiente.

Para enfriar y lubricar continuamente la barrena y retirar los recortes del agujero, se bombea un fluido de perforación (lodo) dentro de la columna de perforación. Al alcanzar la barrena, este lodo pasa a través de las toberas de la barrena, choca contra el fondo del agujero y luego sube en el espacio anular (el espacio entre la columna de perforación y la pared del pozo), acarreando los recortes que están suspendidos en él. En la superficie, se filtra el lodo con zarandas y otros dispositivos que eliminan los recortes, y luego se bombea de nuevo dentro del pozo.

Los lodos pueden ser de dos tipos distintos: en base de agua (inyección directa), o en base de gas oil (inyección inversa). Los lodos no están constituidos solamente por cualquiera de estos dos líquidos sino que llevan consigo, además de los recortes del terreno que el trépano en su avance va liberando (cutting), una serie de compuestos líquidos y/o sólidos (aditivos de la inyección), inorgánicos u orgánicos, naturales o sintéticos.

Algunos de estos aditivos de la inyección, son minerales o rocas, compuestos inorgánicos formados por procesos naturales.

El desarrollo del tema de esta clase se limitará principalmente a tratar algunos de los componentes minerales más comunes de utilizar o encontrar en los lodos de perforaciones petroleras.

Uso de algunos minerales y recursos minerales en las perforaciones.Mineral Composición Clase Uso CaracterísticasDiamante C I – Elementos

nativosComo insertosen brocas

Dureza 10abrasivo

Wolframita FeMn(WO)4 VII – Sulfatos (cromatos

wolframatos y molibdatos)

Como insertos en brocas y aleaciones o revestimientos en barras de perforación.

Es muy duro y abrasivo. Fabricación decarburo de tungsteno y aplicación en herramientas duras.

Agua H2O Recurso natural En lodo de inyección de emulsión directaes la fase continua.

Es el medio dispersante en la inyección en base agua. Refrigerante.Como un viscosificante suave en las inyecciones inversas.

Gas oil HC Recurso natural En lodo de inyección de emulsión inversa,es la fase continua.Combustible.En limpieza.

Es el medio dispersante en la inyección en base gas oil. Es un lubricante en la inyección en base agua.

Bentonita (AlMg)8(Si4O10)4(OH)8.12H2O Ceniza volcánica alterada compuestaprincipalm. pormontmorillonita (IX – Silicatos)

En lodos de inyección comoviscocificante.

Aumenta su volumen varias veces al sumergirse en agua.

Calcita CaCO3 V - Carbonatos En lodos de inyección como un densificante suave(Muy usado)

G: 2,71Soluble en HCl y ácido cítrico.No es tan contaminante para la formación.

Bariritina BaSO4 VII - Sulfatos En lodos de inyección como un densificante medio.

G: 4,5 es muy contaminante para la formación porque disminuye la porosidad de la misma, ya que no se disuelve fácilmente.

Galena SPb II - Sulfuros En lodos de inyección como un densificante alto.

G: 7,4 -7,6Nombre comercial:Piedra galena.Es muy contaminante para la formación porQue disminuye la porosidad de la misma, ya que no se disuelve fácilmente.

Hematita Fe2O3 IV - Óxidos En lodos de inyección como un densificante medio.

G: 5,26 Nombre comercial:Densimax oFer - Ox

Halita ClNa III -Halogenuros. Para saturar la inyección al perforarformaciones salinas.También en fluidos de terminación de pozos como inhibidor.

Soluble en agua.

Silvita ClK III -Halogenuros. En fluidos de terminación de pozos como inhibidor, quitándole corrosión y peso.

Moscovita KAl2AlSi3O10(OH)2 IX- Silicatos En lodos de perforación comomaterial obturante.

Exfoliación perfecta y hábito hojoso.

Cuarzo SiO2 IX- Silicatos En cementación, para darle dureza al tapón de cemento.También para fracturar las formaciones, como elemento sostén.

G: 2,65H:7Resistente al ataque físico yquímico.

Cloro radiactivo

Cl III - Halogenuros Como elemento trazador para determinar pérdidas de circulación.

Cal CaO

CaCO3 880°C CaO + CO2

Producto derivado de la Calcinación de rocas carbonatadasCaliza y dolomía.

Como reductor de filtrado.Como inhibidor al perforar formaciones calcáreas.

Soluble en ácido.Reacciona con agua en las inyecciones directas.

Puzolana Rocas ricas en sílice. Tobas, tierra de diatomeas, harina fósil, gaize.

Se utilizan apara alivianar o bajar la densidad de las lechadas de cemento cuandoexísten formacio nes que no soportan altas densidades.

También mejoran las propiedades de fragüe del cemento.

Yeso CaSO4.2H2O VII-Sulfatos. Como material de cementación en l perforaciones mineras.

Mezclado con agua, fragua endureciendo rápidamente.

Otros Existen muchos compuestos inorgánicos sintéticos y también orgánicos que se utilizan en las perforaciones (cascara de arróz, cascara de nuez, celofán, celulosa como obturantes, Linosulfonato (a temperaturas < a 200°C) y cromolinosulfonato soporta temperaturas > a 200°C pero es muy contaminante) como dispersantes, etc.

Ejemplos de usos de algunos minerales.

Barrenas: diamante y carburo de tungsteno.

Al girar bajo el peso de la columna de perforación, la barrena rompe o raspa la roca que está por debajo. Cuando se hace referencia a las barrenas en base a los tipos de dientes que tienen, se usan los siguientes términos: (1) dientes de inserto y (2) barrenas de carburo de tungsteno (TCI -Tungsten Carbide Insert). Las barrenas de dientes fresados, tienen dientes que son maquinados a partir del mismo lingote metálico que el cono (ver la Figura 4c). En algunos casos, los dientes son revestidos con metal duro para aumentar la vida útil. Este tipo está diseñado para formaciones suaves a medianamente duras donde los dientes largos pueden ranurar la roca. Los dientes de las barrenas de dientes de insertos son en realidad espárragos de carburo de tungsteno insertados en agujeros perforados dentro de los conos (ver la Figura 4a). Las barrenas TCI perforan generando una acción de trituración para formaciones más duras y más abrasivas. Algunas barrenas de dientes de insertos son mejoradas con insertos especiales caracterizados por la aplicación de una capa de diamante policristalino sobre el carburo de tungsteno. Esto les proporciona una vida útil aún más larga que el carburo de tungsteno solo.

Barrenas de diamante y PDC. Las barrenas de cortadores fijos con superficies cortantes de diamante son usadas para la perforación de formaciones medianamente duras a duras, cuando se requiere una vida útil extra larga de la barrena, o para operaciones especiales de extracción de núcleos. Las barrenas de cortadores fijos de una pieza usan fragmentos de diamante natural o pastillas de diamante sintético como cortadores. Las barrenas de diamante natural usan diamantes naturales de calidad industrial dispuestos en una matriz de acero, de la manera indicada en la barrena sacanúcleos de diamantes naturales de la Figura 4d. Durante la rotación, los diamantes naturales expuestos raspan y trituran el pozo. Los cortadores de diamantes sintéticos, llamados Cortadores de Diamantes Policristalinos (PDC), están configurados de manera que los cortadores rompan por esfuerzo cortante la roca que está por debajo de la barrena, produciendo recortes de gran tamaño y grandes velocidades de penetración (ver la Figura 4b). Las barrenas de PDC tienen gran demanda para perforar en muchos tipos de rocas, pero especialmente en largas secciones de formaciones medianamente duras a duras. Las barrenas de PDC son muy durables y eficaces, ofreciendo mayores velocidades de penetración y una larga vida útil. Se fabrican barrenas de PDC de distintos diseños para optimizar la perforación en formaciones particulares. Típicamente, las barrenas de PDC perforan con mayor rapidez en las lutitas que en las areniscas, y se usan con mayor frecuencia para perforar largas secciones de lutita. Ambos tipos de barrenas de diamante funcionan de una manera similar a las antiguas barrenas de arrastre “cola de pescado”, porque perforan raspando la roca.

4a: Barrena para rocas (tipo TCI). 4b: Barrena de PDC. 4c: Barrena para rocas de dientes fresados.

4d: Barrena sacanúcleos de diamantes naturales.

Broca fija con PDC. Detalle de un Cortador Compacto de Diamante Policristalino.

Densificante: hematita

El FER-OX es un material densificante, de óxido de hierro pulverizado (hematita), con gravedad específica de 5 o más alta. A causa de la elevada gravedad específica, los lodos que se espesan con FER-OX contienen menos sólidos y frecuentemente rinden regímenes de penetración (RP) más altos que los de barita. El FER-OX se puede usar en cualquier sistema del lodo en vez de la barita o mezclado con ella. El FER-OX se muele, e procesa para removerle las impurezas y seguidamente se clasifica para lograr la distribución deseada de los tamaños de las partículas.

Propiedades físicas típicas.Aspecto físico

Seco: polvo rojo a pardo.

Mojado: gris a negro.Lodo: rojizo-pardo obscuroDureza de las partículas . . . . . . . . . . 5 – 6, escala MOHS (1-10)Densidad a granel . . . . . . . . . . . . . . 2.291 Kg/m3 (143 lbs/pie3)EspecificacionesGravedad específica . . . . . . . . . . . . . 5,0Tamaño de las partículas . . . . . . . . . <1,5% en peso, malla >200 (>75 micrones) <15% en peso, malla ~325 (>45 micrones) <15% en peso <6 micronesDureza en solución (calcio) . . . . . . . <100 mg/KgPROPIEDADESAplicaciones.El FER-OX se puede usar en cualquier clase de lodos de perforación y de terminación de pozos, incluso los de agua dulce, de agua salada y a base de aceite, para aumentarles hasta 3,0 la gravedad específica (25 lbs/gal). El FER-OX se usa más frecuentemente en lodos pesados a base de aceite. Los lodos que se espesan con FER-OX contienen menos sólidos por volumen que los densificados con baritina, hecho que facilita la preparación de fluidos más pesados, especialmente efectivos para matar pozos.

Refuerzo de diamantes sintéticos policristalinos

Cuerpo decarburo detungsteno

Densificante: baritina

El M-I BAR es un material densificador de alta calidad, grado perforación (sulfato de bario), que se usa para aumentar el peso de los lodos de perforación. Este material, de alta gravedad específica, es el que más se usa para espesar (densificar) el lodo y se puede usar en cualquier sistema de fluidos de perforación. El M-I BAR satisface las especificaciones del API para barita.

Propiedades físicas típicas.Aspecto físico . . . . . . . . . . . . . . . . . Polvo de varios colores claros:gris, rosado y caneladoDensidad a granel . . . . . . . . . . . . . . . 1.714 – 2.162 Kg/m3 (107 – 135 lbs/pie3)Especificaciones APIGravedad específica . . . . . . . . . . . Mínima de 420 gr/cm3

Solubilidad dematerial duro (calcio) . . . . . . . . …Máxima de 250 mg/KgPartículas >75 micras(malla mojada) . . . . . . . . . . . . …… Máximo de 3% en pesoPartículas de <6 micras(sedimentación) . . . . . . . . . …… . . Máximo de 30% en peso

AEl M-I BAR se usa para aumentar la densidad de cualquier sistema de lodo. En casi todos los fluidos de perforación se pueden alcanzar pesos de hasta 20 lbs/gal (gr esp de 2,40) sin afectar su aptitud para fluir bien. El M-I BAR es también excelente en operaciones de control de pozos para formular fluidos de matar pozos y tapones de barita cuyo peso puede llegar a 22 lbs/gal (gr esp de 2,64). Al agregar M-I BAR, el volumen aumenta aproximadamente 0,25 m3/ton. mét.(1,4 bls/ton). El aumento de densidad puede requerir suficiente dilución con agua o con el fluido de base para mojar debidamente la barita que se agrega.

Control de Filtración - Obturante: moscovita

Una de las funciones básicas del fluido de perforación es sellar las formaciones permeables y controlar la filtración (pérdida de filtrado). Los problemas potenciales relacionados con los revoques gruesos y la filtración excesiva incluyen las condiciones de pozo reducido, el aumento del torque y arrastre, tuberías pegadas, la pérdida de circulación, la calidad inferior de los registros y daños a la formación. Con frecuencia se requiere un control adecuado de la filtración y la deposición de un revoque delgado de baja permeabilidad para evitar los problemas de perforación y producción. Uno de los obturantes minerales usados es la moscovita, la que por su hábito hojoso actúa en forma de tapón obturando las zonas de filtrado. Se utilizan también otros compuestos. Bentonita, polímeros, almidón, celulosa, resinas, diluyentes químicos, etc.

Estimulación de pozo por fracturación hidráulica: cuarzo

ObjetivoIncrementar la productividad del pozo creando una fractura de elevada conductividad, luego se coloca dentro del canal creado un agente de sostén (CUARZO, BAUXITA o BOLITAS DE VIDRIO) que impide que este se cierre.

Agentes de sostén: Los agentes de sostén son utilizados para mantener la fractura abierta y proporcionar conductividad una vez finalizado el tratamiento.

Requisitos de los agentes de sostén:• Tenga una permeabilidad superior a la permeabilidad de la formación, siendo para ello uniforme en tamaño y redondeado.

• Sea de una resistencia suficiente a la compresión, como para que no se rompa con la presión de confinamiento.

• Sea inerte a los fluidos de formación, fracturación y/o de eventuales tratamientos químicos.

• Sea de un bajo costo.

PRESION

Perforaciónfracturada

Arena de cuarzocomo agente de sostén

Roca sin fracturar

Tipos de agentes de sostén:

• Arena (Sílice – Cuarzo)

• Bolitas de vidrio

• Bauxita (Roca mezcla de diásporo, gibbsita y bohemita – Óxidos de aluminio hidratados – En agregados pisolíticos.)

Selección del agente de sostén: la generación de una grieta de dimensiones adecuadas sin dañar la formación, el transporte del entibador y su distribución optima son aspectos importantes del diseño. No obstante el agente de sostén es el único elemento que queda en la fractura y es el responsable del incremento de la productividad.

Tipo de agente de sostén: la selección de un determinado agente de sostén esta influenciado principalmente por las elevadas presiones de confinamiento, el tipo de formación y por ultimo el costo. La arena limpia y de buena calidad es una alternativa muy económica y disponible en casi todos los yacimientos del mundo. La bauxita sintetizada tiene densidad mayor a la arena y su costo es varias veces superior a este.

Arena (Cuarzo)

• ventajas:- todo tipo de reservorio.- barata.- fácil disponibilidad.

• limitaciones:- rotura.- empotramiento.

• alternativas:- entibadores de alta resistencia.- multicapa.

Uso de dos agentes de sostén.

• Conductividad mejora cuanto mas uniforme sean los granos del entibador . Por lo tanto no es recomendable la mezcla de entibadores.

• Cuando se emplean dos agentes de sostén de tamaño distinto estos no se inyectan simultáneamente si no uno después del otro. Comenzando por el de menor tamaño y secundado por el de mayor tamaño que mejora la conductividad.

Proporción de viscosidad, estructura de gel y control de filtrado al lodo: arcillas

Un entendimiento riguroso de las arcillas puede ser la herramienta más valiosa del ingeniero de lodos. La arcilla puede ser añadida intencionalmente, tal como en el caso de M-I GEL®, o puede entrar en el lodo como contaminante importante mediante la dispersión de los sólidos de perforación. En cualquier caso, la arcilla se convierte en una

parte activa del sistema. Por este motivo, es necesario entender la química básica de las arcillas para controlar correctamente los lodos base agua. La química de las arcillas también es importante en lo que se refiere a las interacciones entre los lodos base agua y las lutitas que afectan la estabilidad del pozo.

Los minerales arcillosos son minerales de silicato alumínico de granos finos que tienen microestructuras bien definidas. En la clasificación mineralógica, los minerales arcillosos están clasificados como silicatos estratificados porque la estructura dominante se compone de camas formadas por capas de sílice y alúmina. Cada capa consta de una estructura laminar y delgada, llamada capa unitaria. Por ejemplo, un mineral de silicato estratificado típico sería la mica o la vermiculita, las cuales pueden separarse en capas finas a lo largo de los planos de clivaje. La mayoría de los minerales arcillosos tienen una morfología laminar. Según las unidades repetidas de la estructura, los minerales arcillosos también se pueden clasificar de acuerdo a la relación de capas desílice a capas de alúmina, tal como 1:1,2:1 y 2:2, además de si estos minerales arcillosos son estratificados o en forma de aguja.

En la industria de fluidos de perforación, ciertos minerales arcillosos tales como la esmectita, uno de los principales componentes de la bentonita, son usados para proporcionar viscosidad, estructura de gel y control de filtrado. Las arcillas de la formación se incorporan inevitablemente en el sistema de fluido de perforación durante las operaciones de perforación y pueden causar varios problemas. Por lo tanto, los minerales arcillosos pueden ser beneficiosos o dañinos para el sistema de fluido.

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 (por ej.: M-I GEL o M-I GEL SUPREME™). Geológicamente, la bentonita es una capa de ceniza volcánica alterada. Debido a sus pequeños tamaños de partículas, las arcillas y los minerales arcillosos son analizados con técnicas especiales tales como la difracción de rayos X, la absorción infrarroja y la microscopia electrónica. La Capacidad de Intercambio Catiónico (CEC), la adsorción de agua y el área superficial son algunas de las propiedades de los minerales arcillosos que suelen ser determinadas para lograr una mejor caracterización de los minerales arcillosos y minimizar los problemas de perforación.

Existe un gran número de minerales arcillosos, pero los que nos interesan en relación con los fluidos de perforación pueden ser clasificados en tres tipos. El primer tipo consta de arcillas en forma de aguja no hinchables como la atapulguita o la sepiolita. Se cree que la forma de las partículas es responsable de la capacidad que la arcilla tiene para aumentar la viscosidad. “El tamaño natural de cristales finos y la forma de aguja hacen que la arcilla desarrolle una estructura de “escobillas amontonadas” en suspensión, demostrando así una alta estabilidad coloidal, incluso en la presencia de una alta concentración de electrolitos. Debido a su forma y a sus características no hinchables, estas arcillas demuestran un control de filtración muy débil. Por este motivo, la atapulguita se usa principalmente como mejorador de viscosidad en los lodos base agua salada, mientras que la sepiolita se usa generalmente como viscosificador suplementario para los fluidos geotérmicos y de alta temperatura.” Estas arcillas no están casi nunca presentes en las lutitas de las formaciones. M-I vende la atapulguita bajo el nombre SALT GEL®‚ y la sepiolitabajo el nombre DUROGEL®‚.

El segundo tipo son las arcillas laminares no hinchables (o ligeramente hinchables): ilita, clorita y kaolinita.

El tercer tipo son las montmorillonitas laminares muy hinchables.

El segundo y el tercer tipo de minerales arcillosos se encuentran en las lutitas de las formaciones, en el orden siguiente y en cantidades decrecientes: (1) ilita, (2) clorita, (3) montmorillonita y (4) kaolinita. Como están presentes en las formaciones perforadas, estas arcillas se dispersan en cantidades variables dentro del sistema de fluido de perforación. La montmorillonita presente en las lutitas es generalmente la montmorillonita cálcica, porque está en equilibrio con el agua de la formación, la cual es generalmente rica en calcio. 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.

La arcilla que existe naturalmente tiene una estructura apilada o estratificada, en la cual cada capa unitaria tiene un espesor de aproximadamente 10 angstroms (Å). Esto significa que cada milímetro de espesor consta de aproximadamente un millón de capas de arcilla. Cada capa de arcillas es altamente flexible, muy fina, y tiene un área superficial enorme. En agua dulce, las capas adsorben el agua y se hinchan hasta el punto en que las fuerzas que las mantienen unidas se debilitan y las capas individuales pueden separarse de los paquetes. La separación de estos paquetes en múltiples capas se llama dispersión. Este aumento del número de partículas, junto con el aumento resultante del área superficial, causa el espesamiento de la suspensión.

La Figura 1 es una fotomicrografía real de una partícula de bentonita. Nótese quese parece a una baraja de cartas abiertaen abanico. Se puede observar que varias de las partículas laminares setraslapan. Esta forma característica de las partículas es lo que produce el llamado efecto de “cinglado” que es tan importante para el control defiltrado.

Las arcillas pueden ser eléctricamente neutras o estar cargadas negativamente. Por ejemplo, la pirofilita [Al2Si4O10 – (OH)2], una arcilla neutra, es similar a la montmorillonita cargada negativamente.

La hidratación y la dispersión de la arcilla seca son muy afectadas si el agua de preparación contiene sal o varios iones metálicos. En general, se puede decir que la hidratación de las arcillas a base de agua dulce disminuye rápidamente a medida que las concentraciones de estos iones aumentan. Este fenómeno es más obvio en las figuras siguientes. Estos ejemplos demuestran la hidratación de dos cubos idénticos de bentonita, el primero en agua dulce y el segundo en agua salada.

Inicial después de 72 hs. Inicial después de 72 hs.

Hidratación de la bentonita en agua dulce. Hidratación de la bentonita en agua salada.

Cuando el agua de preparación es salada, se puede usar SALT GEL (atapulguita) para lograr la viscosidad. La atapulguita es un mineral único. Su estructura cristalina es en forma de aguja, como lo indica la figura Su capacidad para aumentar la viscosidad es independiente del agua de preparación. A la misma concentración, SALT GEL en cualquier tipo de agua produciría la misma viscosidad que M-I GEL en agua dulce. La capacidad de aumentar la viscosidad no depende de la hidratación, sino de la medida en que los paquetes de agujas son sometidos al esfuerzo de corte. La viscosidad resultante es creada por dos elementos: 1. La formación de estructuras de escobillas amontonadas por los esfuerzos de corte. Esto presenta una simple analogía con la agitación de paja en agua. 2. Las fuerzas de atracción entre partículas, creadas por cargas de enlaces rotos en los bordes de agujas rotos por los esfuerzos de corte.

Como la arcilla de atapulguita desarrolla una viscosidad similar en cualquier tipo de agua de preparación, se podría preguntar “¿por qué no se usa siempre la atapulguita?”. La respuesta sería (1) mayor costo, (2) falta de control de filtración debido a la forma de las partículas y (3) características reológicas más difíciles de controlar.

Fotomicrografía de partículas de atapulguita.

Viscosificante: bentonita

El viscosificador GEL SUPREME es una bentonita Wyoming de primera calidad (arcilla de montmorillonita de sodio) sin tratamiento químico. Se usa como aditivo para generar el revoque primario en la pared del pozo, controlar el filtrado y la suspensión en sistemas de lodos de agua dulce, y tiene aplicación en todos los lodos a base de agua. El GEL SUPREME es un producto de alta calidad que satisface las especificaciones API para bentonita sin tratar.

Propiedades físicas comunesAspecto físico . . . . . . . . . . . . . . . . . Polvo de color gris verdoso claro

Gravedad específica . . . . . . . . . . . . . 2,3 – 2,6Densidad a granel . . . . . . . . . . . . . . 769 – 833 Kg/m3 (48 – 52 lbs/pie3)Especificaciones API Propiedades de suspensión Suspensión de 25 gramos de bentonita sin tratar en 350 cm3 de agua desionizada).

Viscosidad plástica dispersa . . . . . mín. de 10 cPRelación punto cedente/visc. plástica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . máx. de 1,5Volumen API de filtrado dispersado . . . . . . . . . . . . . . . . . máx. de 12,5 cm3

PROPIEDADESEl GEL SUPREME se usa para incrementar la viscosidad y disminuir el filtrado de

lodos de perforación a base de agua. Es un producto económico para lograr la viscosidad adecuada, controlar el filtrado y mantener la calidad del revoque de lodos a base de agua dulce y de mar. Las concentraciones típicas de GEL SUPREME varían de 14,3 a 100 Kg/m3 (5 a 35 lbs/bl). Al igual que con los demás productos de bentonita, el rendimiento del GEL SUPREME disminuye a medida que aumenta la salinidad. En lodos que contienen más de 10.000 miligramos por litro de cloruros, el rendimiento del GEL SUPREME disminuye notablemente, a menos que antes de agregarlo al lodo se hidrate con agua dulce.

Contaminación y Tratamiento

Un contaminante es cualquier tipo de material (sólido, líquido o gas) que tiene un efecto perjudicial sobre las características físicas o químicas de un fluido de perforación. “Lo que en un tipo de fluido de perforación constituye un contaminante, en otro no será necesariamente un contaminante”. Los sólidos reactivos de baja densidad son contaminantes comunes en todos los fluidos de perforación. Estos sólidos se componen de sólidos perforados que se han incorporado dentro del sistema oque resultan del tratamiento excesivo con arcillas comerciales. Desde el punto de vista económico, los sólidos perforados y los problemas relacionados con su control tienen un mayor impacto sobre el costo del lodo que los otros tipos de contaminación. Sin embargo, en este apartado se citarán los siguientes contaminantes químicos comunes de los lodos base agua:

1. Anhidrita (CaSO4) o yeso (CaSO4•2H2O). 2. Cemento (silicato complejo de Ca(OH)2). 3. Sal (sal de roca, agua de preparación, agua salada, magnesio, calcio y cloruro de sodio, y agua irreductible). 4. Gases ácidos, incluyendo el dióxido de carbono (CO2) y el sulfuro de hidrógeno (H2S).

Con excepción de los gases ácidos, estos contaminantes químicos están directamente relacionados a las reacciones de intercambio de iones con las arcillas. Por lo tanto, la concentración de sólidos de tipo arcilloso en un lodo base agua está directamente relacionada con la severidad con la cual el contaminante químico afecta las propiedades del lodo.

Referencia Rápida para Reconocer y Tratar los Contaminantes

CONTAMINACIÓN DE MAGNESIOSíntomas1. Punto cedente inestable y filtrado. 2. Altos niveles de dureza después de tratar el calcio con carbonato de sodio.TratamientoOBSERVACIÓN: El siguiente tratamiento es para pequeños niveles de contaminación, tal como la contaminación causada por el agua salada. NO se debe usar soda cáustica para tratar una contaminación masiva de magnesio (como la que causa la carnalita).1. Aumentar el pH del lodo hasta 11 con soda cáustica o potasa cáustica (KOH) para eliminar el magnesio 2. Mantener el pH a este nivel para evitar que el magnesio se solubilice de nuevo a partir de Mg(OH)2.

CONTAMINACIÓN DE YESO O ANHIDRITASíntomas1. Aumento de la viscosidad y de los esfuerzos de gel. 2. Aumento del filtrado. 3. Aumento de la cantidad de calcio soluble. 4. Posible disminución de Pf y pH.Tratamiento1. Precipitar o secuestrar el calcio soluble con fosfatos o carbonato de sodio (ver las Tablas 2 y 3). Reducir la viscosidad con tratamientos de lignosulfonatos y soda cáustica. Reducir el filtrado con tratamientos de bentonita, POLYPAC o RESINEX. 2. Dejar que el yeso o la anhidrita permanezca en el sistema para obtener un nivel de calcio soluble mayor de 600 mg/l. Controlar la viscosidad con el tratamiento de lignosulfonato, el pH con soda cáustica, y el filtrado con bentonita y POLYPAC.

CONTAMINACIÓN DE SALSíntomas1. Aumento de la viscosidad. 2. Aumento del filtrado. 3. Aumento de la cantidad de cloruro soluble y calcio. 4. Reducción del pH y Pf.Tratamiento1. Diluir la concentración de NaCl con agua, si la formación de sal debe ser entubada poco después de terminar la perforación. Tratar el fluido con lignosulfonatos para controlar la viscosidad; soda cáustica y cal según una proporción de 1:2 para controlar el pH y Pf; POLYPAC UL y bentonita para controlar el filtrado.

2. Si no se entuba la sal y la formación queda expuesta por un largo periodo, saturar el sistema con cloruro de sodio (sal) para impedir el ensanchamiento adicional del pozo. Controlar la viscosidad con tratamientos de lignosulfonatos, además de soda cáustica y cal. Pequeños tratamientos de POLYPAC son eficaces para controlar la viscosidad si los sólidos están controlados dentro del rango apropiado. Controlar el filtrado mediante adiciones de almidón y/o POLYPAC, y adiciones de bentonita prehidratada. Si se usa almidón para controlar el filtrado, mantener una concentración de NaCl de 190.000 mg/l para evitar la fermentación del almidón, o usar un biocida.

CONTAMINACIÓN PRODUCIDA POR EL FLUJO DE AGUA SALADA Y LA ARREMETIDA DE GASSíntomas1. Aumento del nivel del tanque de lodo. 2. Aumento de la velocidad de retorno del pozo.Tratamiento1. Parar la bomba. 2. Subir el conjunto de fondo para despejar el buje de junta kelly. 3. Cerrar el pozo con un BOP (preventor de reventones). 4. Medir la presión de la tubería de perforación y calcular la densidad de lodo adicional requerida para compensar la arremetida. 5. Aumentar el peso del lodo hasta obtener la densidad requerida, haciendo circular la arremetida hacia afuera, a una velocidad de bombeo reducida. 6. Si se trata de una arremetida de gas, eliminar el gas del sistema usando el equipo de circulación superficial y los desgasificadores. 7. Si se trata de un flujo de agua salada, descargar el agua salada en la superficie (si es posible), y acondicionar el fluido con cantidades adicionales de desfloculantes y soda cáustica. Puede que sea necesario diluir la concentración de iones NaCl con agua dulce. Pequeños tratamientos de cal y soda cáustica también pueden requerirse para controlar el pH y Pf.

CONTAMINACIÓN DE CARBONATOSSíntomas1. Altos esfuerzos de gel. 2. Aumento de Pf con un Ph constante. 3. Mayor diferencia entre Pf y Mf. 4. Aumento de los niveles de carbonatos o bicarbonatos.Tratamiento1. Aumentar el pH hasta un valor comprendido entre 10,3 y 11,3. 2. Añadir cal y/o yeso, dos fuentes solubles de Ca, para eliminar los carbonatos como CaCO3 .

CONTAMINACIÓN DE SULFURO DE HIDRÓGENOSíntomas1. Reducción de las alcalinidades. 2. Ligero olor fétido (huevo podrido) en la línea de flujo. 3. El lodo o la tubería adquiere un color negro.Tratamiento1. Aumentar el pH hasta un nivel comprendido entre 11 y 11,5 con soda cáustica. 2. Amortiguar con cal.3. Añadir óxido de cinc.

Conclusiones.

Existe una diversa gama de compuestos sólidos y líquidos, naturales y sintéticos, orgánicos e inorgánicos que se utilizan en las perforaciones petrolíferas, fundamentalmente utilizados en los lodos de perforación. Algunos minerales y rocas son de uso común en la industria petrolera, conocer los mismos, sus propiedades específicas

y su posible aplicación, son de suma importancia, para el desarrollo exitoso de una perforación.

El tema presentado en esta clase solo pretende ser una introducción al estudio de los mismos, el detalle de sus comportamientos y sus aplicaciones en situaciones específicas son conocimientos que se estudiarán en otra asignatura: Perforaciones II y son tan importantes en el desarrollo de la perforación que existe toda una rama de trabajo relacionados con la inyección: la ingeniería de lodos.

Bibliografía

- SM Swaco. 1997 . MI Driling Fluids Engineerin Manual. Houston. USA. - Kirst H. 1980. Mineralogía aplicada para ingenieros, técnicos y estudiantes.

EUDEBA . Buenos Aires. Argentina.

- Hurlbut, C. & C. Klein. 2.002. Manual de Mineralogía de Dana. 4ta edic. Tomos I-II. Edit. REVERTE S.A. Buenos Aires. Argentina.

- Campagna D. y otros. 2.006. Estimulación de pozos por fracturación mecánica y acidificación. III Congr. Est. de Ing. de Minas. Catamarca.

…………………………………………. Geol.. Mabel R. Bartoloni Prof. Adj. Cátedra Mineralogía