Principios Básicos de Fluidos de Perforación

Ing. Roberto Salas

RESEÑA HISTORICA * Heggen y Pollard (1914): Mezcla de agua con material arcilloso que permanece suspendido durante un tiempo considerable. * Lewis y Mc Murray (1916): Mezcla de agua con materiales arcillosos que permanece suspendido durante un tiempo considerable y que esta libre de arena, ripio o materiales similares. * Strond (1921): Establece el uso de aditivos y la utilización de Barita y Oxido de Hierro para densificar el lodo. * En 1929 aparece la Bentonita como agente suspensivo y gelificante * En 1931, Marsh mide la viscosidad del lodo mediante el Embudo Marsh. * En 1937 se utiliza el Filtroprensa para medir la perdida de filtrado del lodo

Funciones de los Fluidos de Perforación Remoción de los cortes o ripios Control de las presiones de formación. Limpiar, enfriar y lubricar el equipo de perforación. Proteger la productividad de la formación. Prevenir derrumbes de formación. Suspender solidos cuando se detiene la circulación. Transmitir energía hidráulica a través de la mecha. Ayuda a soportar el peso de la sarta de perforación. Ayuda en la evaluación de formaciones (Registros). Sirve como transmisor de información sobre la perforación

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Remoción de los cortes o ripios Depende de: o

Densidad del ripio

o

Tamaño de las partículas o derrumbes.

o

Forma de la partícula.

o

Densidad del fluido.

o

Viscosidad del fluido.

o

Velocidad del fluido en el espacio anular

Veloc. anular debe ser mayor que la Veloc. de caída del ripio Si no se cumple lo anterior, se tendrán problemas operacionales como puentes, rellenos, arrastre o pega de tubería.

Control de presiones de formación SUBNORMAL

NORMAL

0.433 Gradiente de presión del agua dulce

ANORMAL

0.466 Gradiente de presión del agua salada

Ph = 0.052 * Dl * H ( Lpg ) Si Dlodo > Pformación Si Dlodo < Pformación

Perdida de Circulación Arremetida

Limpiar, enfriar y lubricar el equipo Lodo Limpieza de la mecha

Limpieza del ensamblaje de fondo

Enfriamiento del equipo Lubricación (aceites, surfactántes, detergentes )

Proteger la productividad de la formación Lodo Invasión del filtrado

DAÑO A LA FORMACION

Reducción de la Permeabilidad

Baja o ninguna productividad

Prevenir derrumbes de formación Presión Hidrostática ayuda a mantener las paredes del pozo Ruptura de la formación (mecha, estabilizadores, etc)

Formaciones con buzamiento alto

Formaciones de sales solubles

DERRUMBES

Erosión del hoyo por alta Velocidad Anular

Reacciones osmóticas en la formación

Formaciones con presiones anormales

Suspender los solidos perforados Durante los cambios de mecha, paradas de bombas de lodo, los ripios deben estar suspendidos. La tasa de asentamiento de los ripios dependerá de:

Densidad de las partículas. Densidad del lodo Viscosidad del lodo. Resistencia de gel del lodo

Transmitir energía hidráulica a través de la mecha

Jets de la mecha

Fluido a alta velocidad Fuerza de impacto

Remoción de cortes

Depende de un buen diseño hidráulico

Mejor limpieza del hoyo

Mayores tasas de penetración

Ayuda a soportar el peso de la sarta de perforación Factor de flotación

Ff = (1 - Dl / 65.4)

Disminuye el peso de la tubería

Evaluación de formaciones: ( Registros ) Hay que mantener ciertas propiedades del lodo como:

* Viscosidad * Filtrado

* Calidad de los fluidos * Revoque

Transmitir e informar sobre la perforación Durante la perforación: . Conductividad . Contenido de gas . Análisis de muestras . Dirección y rumbo (MWD)

Después de la perforación: . Registros Eléctricos

Composición de los lodos Fase liquida

+

Fase solida

+

Aditivos Químicos

Agua o Aceite

Reactivos (Arcillas comerciales, solidos perforados hidratables) Inertes (Barita, solidos perforados no reactivos, Arena, Calizas, Sílice, Dolomita)

. . . . . . . . . . . . .

Fosfatos Pirofosfatos Tetrafosfatos Taninos Corteza de Mangle Quebracho Lignitos Lignosulfonatos Bicarbonato deSodio Soda Cáustica Humectantes Surfactantes Otros

Reología de los Fluidos Velocidad de corte

Tensión de corte

Deformación de la Materia Todas las propiedades de flujo dependen de la interrelación de la Tensión de Corte y la Velocidad de Corte

Tipos de Fluidos Newtonianos: “ Son aquellos donde la tensión de corte es directamente proporcional a la velocidad de corte “

Tensión de Corte

Agua, Diesel, Glicerina

Tc= m x Veloc.corte m

donde: m: Pendiente Tc: Tensión de Corte

Velocidad de Corte

Viscosidad Constante

Tipos de Fluidos No-Newtonianos: “ Requieren cierta Tensión de Corte para adquirir movimiento”

Tensión de Corte

(Punto Cedente verdadero)

Visc= Tc / Vc depende de :

. Tipo de Fluido . Veloc de Corte Velocidad de Corte

Viscosidad Variable

Modelos Reológicos: Permiten explicar el comportamiento del lodo Modelo Plástico de Bingham

Viscosímetro de dos velocidades

Viscosidad Plástica VP= F600 - F300

Punto Cedente PC= F300 -VP

300

600

Modelo de la Ley Exponencial A velocidades bajas de corte, las Tensiones de Corte obtenidas del modelo de Bingham superan las verdaderas Tensiones de Corte verificadas en el lodo Este modelo esta basado en las lecturas obtenidas a 300 y 600 rpm cuyos valores corresponden a la siguiente ecuación: F = K x P

n

K: Factor de consistencia del flujo laminar n: Indice de Comportamiento del flujo laminar

Factores que afectan a la reología

Temperatura

Viscosidad

Presión: Poco afecta a las propiedades reológicas

Tiempo

Gel

Deposición de solidos

Degradación del Lodo

Propiedades básicas de los fluidos Viscosidad Plástica: Resistencia al flujo causada por fricción mecánica entre los sólidos presentes en el fluido Viscosidad de la fase fluida

AFECTADA POR

Concentración de solidos

Tamaño y forma de las partícula

Densidad del lodo “ Peso por unidad de volumen, esta expresado en libras por galón, libras por pie cúbico, etc ” Depende del fluido usado y del material que se le adicione

La densidad del lodo debe ser suficiente para contener el fluido de la formación, pero no demasiado alto como para fracturar la formación

Punto Cedente ( Yield Point ) “ Resistencia al flujo causada por las fuerzas de atracción entre partículas sólidas del lodo. Es consecuencia de las cargas eléctricas sobre la superficie de las partículas dispersas en la fase fluida”

Tipo de solidos y cargas eléctricas

DEPENDE DE

Cantidad de Solidos

Concentración iónica de las sales contenidas en la fase fluida

Resistencia Gel Fuerza mínima o Tensión de Corte necesaria para producir un deslizamiento en un fluido después que este ha estado en reposo por un período determinado de tiempo” El no control Succión en la sarta de perforación

Aumento de la velocidad de sedimentación de las arenas y solidos

Problemas

Retención de gas

Presiones elevadas para iniciar circulación

Perdida de Filtrado Revoque Formación LODO

Filtrado

Depende de: . Propiedades de las rocas perforadas . Permeabilidad Tipos de filtración: Estática y Dinámica

Tipos de Fluidos de Perforación Para un buen diseño del lodo de perforación, se deben considerar los siguientes factores: . Selección adecuada del fluido. . Mantenimiento adecuado ( propiedades ) . Planificación: Tipos de formación, equipos de superficie, disponibilidad de aditivos, etc. Base Agua Base Aceite

Aireados

Fluidos Base Agua La fase continua es el agua y es el medio de suspensión de los solidos Existen varios tipos:

Lodo de Agua Fresca - no Inhibido Fase acuosa con sal a bajas concentraciones y Arcilla Sódica.

Son simples, baratos. aditivos viscosificantes, dispersantes, Soda Cáustica y Barita.

Diseñados para perforar zonas arcillosas hasta 220 °F. Muy sensibles a contaminaciones

Lodo de Agua Fresca -no Inhibido Este sistema esta conformado de la forma siguiente:

• • • • •

Agua Fresca Nativos. Agua - Bentonita Con Taninos Fosfatos

Lodos de Agua Fresca . Formaciones duras . Agua dulce o salada . Altas velocidades anulares para remoción de sólidos

Lodos Nativos Se forman al mezclar agua con Arcillas y Lutitas de las formaciones superficiales. Requieren de continua dilución

No requiere de control de filtrado Continua dilución para prevenir floculación

Son utilizados para perforar zonas superficiales (hasta 1500) Densidades hasta de 10.0 Lpg Propiedades reológicas no controladas

Se deben controlar los sólidos para un efectivo mantenimiento

Lodos de Agua-Bentonita Es un lodo de inicio de la perforación, constituido por agua y Bentonita recomendado para ser usado hasta 4000´ Características: • Buena capacidad de acarreo • Viscosidad controlada y control de filtrado • Buena limpieza del hoyo • Bastante económico.

Lodos con Taninos - Soda Cáustica Es un lodo base agua con Soda Cáustica y Taninos como adelgazantes, pude ser de alto como de bajo Ph. No se utilizan con frecuencia, son afectados por la temperatura

Lodos de Fosfatos Es un lodo tratado con adelgazantes ( SAAP ), • • • •

Utilizado en formaciones con poca sal o Anhidrita Máxima temperatura de uso: 180°F Bajo costo y simple mantenimiento Muy susceptible a contaminaciones

Lodos de base agua Inhibidos Su fase acuosa permite evitar la hidratación y desintegración de Arcillas y Lutitas hidratables mediante la adición de Calcio Calcio (Cal, Yeso y CaCl2 ) Arcillas Sódicas

Arcillas Cálcicas

Mecanismo : Plaquetas de Arcilla

Reducción viscosidad

Liberación de agua

Reducción del tamaño partícula

Lodo con mayor cantidad de sólidos y propiedades reológicas mínimas

Lodos tratados con Cal Utilizan la Cal ( Ca (OH)2 ) como fuente de Calcio soluble en el filtrado. Composición: • Soda Cáustica • Dispersante Orgánico • Cal • Controlador de filtrado • Arcillas comerciales * Pueden emplearse en pozos cuya temperatura no sea mayor de 250 °F * Soportan contaminación con sal hasta 60000 ppm

Lodos tratados con Yeso Utilizan el Sulfato de Calcio como electrolito para la inhibición de Arcillas y Lutitas hidratables. Características: • Ph entre 9.5 y 10.5 • Concentración de Calcio en el filtrado de 600 a 1200 ppm • Tienden a flocularse por altas temperaturas • Resistentes a la solidificación por temperatura

Lodos tratados con Lignosulfonato Se adhieren sobre la partícula de Arcilla por atracción de valencia, reduciendo la fuerza de atracción entre las mismas y así reducir la viscosidad y la fuerza gel

Ventajas de su aplicación:

• • • •

Control de propiedades reológicas Estabilidad del hoyo Compatible con diversos aditivos Controlador de filtrado

• • • •

Mejora las tasas de penetración Menor daño a la formación Resistentes a contaminación química Fácil mantenimiento

Lodos en agua salada Son aquellos que tienen una concentración de sal por encima de 10.000 ppm hasta 315.000 ppm La sal aumenta el poder de inhibir la hidratación de Arcillas

Se deben utilizar para: • Perforar zonas con agua salada y Domos de sal • Evitar la hidratación de Arcillas y Lutitas hidratables

Lodos de Bajo Coloide Son lodos de base agua con Polímeros como agentes viscosificantes y con bajo contenido de Bentonita o compuesto coloidal El uso de este tipo de lodo puede prevenir problemas originados por: • • • •

Presencia de formaciones solubles de Calcio Intercalaciones de sal Flujo de agua salada Contaminación con CO2

Permite obtener grandes beneficios como son: • Incremento de la tasa de penetración • Mejora la limpieza del hoyo • Mejora la estabilidad del hoyo

Lodos Base Aceite Emulsion: Dispersión de partículas finas de un liquido en otro liquido

Lodo Inverso Agua ( fase dispersa)

Aceite ( fase continua ) EMULSIFICANTE

No se disuelve en el aceite pero permanece suspendida en forma de gotas pequeñas

EMULSION ESTABLE

Lodos Base Aceite Prevenir atascamiento diferencial Reducción de torques en Bajas perdidas de fluido pozos direccionales Perforación en ambientes corrosivos

Perforación de formaciones de baja presión

Ventajas

Toma de núcleos

Controlar y prevenir la hidratación de Arcillas y Lutitas

Son resistentes a altas temperaturas, no son afectados por formaciones solubles.

Lodo Base Aceite Componentes: • • • • • • • •

Aceite ( Gas-oil) Agua Emulsificantes Controlador de Filtrado Arcillas Organofílicas Humectantes Espaciadores Cloruro de Calcio

Problemas de campo -Análisis y Soluciones * Degradación de componentes químicos (aditivos) . Degradación bacteriana . Degradación Térmica . Degradación por Oxidación ( Oxigeno )

* Contaminación de fluidos de perforación . . . . . . .

Con Cemento Lodo cortado por gas Con agua salada o sal Con Calcio Gelatinización por alta temperatura Con Anhidrita y Yeso Con solidos

Contaminaciones Cemento: Producto de las Cementaciones de los revestidores. Es controlable y puede prevenirse con antelación. Sintomas: . . . . .

Incremento del Ph Aumento tanto de Punto Cedente como del Gel Incremento de filtrado y presencia de Calcio en el Revoque grueso y esponjoso Alta viscosidad de embudo

Tratamiento: Añadir compuestos químicos que reaccionen con el Ion Calcio y puedan removerlo como un precipitado insoluble. Pre-tratamiento: con 0.5 a 0.75 lbs/bl de Bicarbonato de Sodio.

Lodo cortado por gas Se produce cuando se perfora una zona de gas muy porosa a altas tasas de penetración. El gas al expandirse produce cambios en la Densidad del lodo. Síntomas: . . . .

Aumento del volumen del lodo en los tanques Presencia de burbujas en los tanques Olor a gas en lineas de flujo Disminución de la densidad del fluido

Tratamiento: . Detener la circulación y circular el pozo (columna estabilizada) . Aplicar tratamiento químico para mantener reología . Reanudar lentamente circulación y continuar perforando

Agua salada: (Perforación de una arena de agua salada ) Problemas que puede causar en el lodo • • • • • •

Aumento del volumen de fluido en el sistema Disminución de pH Incremento de las propiedades reológicas Aumento de la perdida de filtrado Aumento de los Cloruros Disminución de la Alcalinidad del lodo

Tratamiento • • • • •

Incrementar la densidad del lodo Añadir controlador de filtrado Añadir Soda Cáustica para subir pH Agregar dispersante Diluir si es necesario

CO2 y H2S Forman soluciones ácidas en el agua. Floculan las Arcillas y producen alta corrosión

H2 S • Síntomas: • • •

• • • • •

Incoloro Mas pesado que el aire Olor a huevo podrido Soluble en agua Irritante y altamente tóxico

Aumento del volumen de los tanques Disminución de la densidad del lodo Disminución de la eficiencia volumétrica de las bombas Fuerte olor a gas

Tratamiento:

• Degasificar • Mantener baja resistencia de gel • Mantener densidad del lodo en tanque activo

Anhidrita y Yeso Anhidrita es Sulfato de Calcio y el Yeso es Sulfato de Calcio con agua

Síntomas

• • • • • •

Disminución de pH Disminución del Mf Disminución del Pf Aumento del Ión Calcio en el filtrado Alta viscosidad Alta perdida de filtrado

Tratamiento: Agregar Soda Ash ( 0.093 Lbs/bl para precipitar 100 ppm de Calcio) CaSO4 + Na2CO3 ------------- CaCO3 + Na2SO4 Anhidrita Soda Ash

Carbonatos y Bicarbonatos Se pueden originar: • • • •

Al reaccionar el Dioxido de Carbono ( CO2 ) con los iones Oxidrilo (OH) Sobretratamiento del lodo con Carbonato y/o Bicarbonato de Sodio Al mezclar Arcillas Sódicas Al agregar Barita contaminada con Carbonatos

¿ Como identificarlos? Carbonatos • • • •

Bajo pH, Pf y Mf Alta perdida de filtrado Altos Geles No hay presencia de Calcio en el filtrado

Bicarbonatos • • • •

Bajo Pf y alto Mf Alto Filtrado Altos geles No hay presencia de Calcio en el filtrado

Bicarbonatos Los problemas asociados con Carbonatos y Bicarbonatos se pueden diagnosticar con un análisis de Alcalinidad del filtrado Pf y Mf Pf : Fenoltaleina (indicadores) Mf : Anaranjado de Metilo H2SO4 como solución tituladora Pf: cc de H2SO4 (N/50), requeridos por cc de filtrado para llevar el pH del lodo a 8.3 Mf: cc de H2SO4 (N/50), requeridos por cc de filtrado para llevar el pH del lodo a 4.3

Lodo + Fenoltaleina --------- color rosado ( Iones OH- y CO3 ) al titular con H2SO4

y obtener el color original del filtrado

Bicarbonatos en este momento el pH del filtrado es 8.3.

Pf = cc de H2SO4 utilizados Luego se agrega Anaranjado de Metilo a la misma muestra obteniendose un color naranja que indica la presencia de iones CO3 y HCO3, se titula con H2SO4 y cambia a color rosado salmón pH = 4.3 Mf : Cantidad de H2SO4 utilizados + cc de H2SO4 para obtener el Pf La cantidad de Acido Sulfúrico utilizada para determinar el Pf, es la requerida para convertir los Carbonatos a Bicarbonatos; y la empleada para titular del Pf al Mf, es la necesaria para convertir los Bicarbonatos a Dioxido de Carbono y agua

Cálculos Básicos para Fluidos de Perforación Volumen de lodo en el sistema: Volumen tanques + volumen hoyo

Cilíndrico

Rectangular D P A

P

L Vol (bls) =

L x A x P (pies) 5.615 pie3 / bl

Vol (bls) =

D x 3.1416 x P (pies) 4 x 5.615 pie3 / bl

Volumen del hoyo: Se considera que el diámetro del hoyo es igual al diámetro de la mecha Vol. hoyo (Bls) = Diametro2 (pulg) x Longitud (pies) x 0.000972 D

Hoyo perforado Tubería de Perforación

L

Capacidad y desplazamiento de la tubería de perforación Vol. total del hoyo = ( Vol. hoyo abierto ) + ( Vol. del revestidor ) ( sin tubería )

[

]

Vol. total del hoyo = ( Vol. hoyo ) + ( Vol. revest ) ( con tuberia ) abierto

(Desp. tub. perforación )

Volumen de desplazamiento de la tubería:

D ext.

[

Dint.

2

Vol. Desplaz. = ( Dext ) - ( Dint. )

2

]x long ( pies ) x 0.000972

Volumen Anular: Es el volumen que se encuentra entre la tubería de perforación y las paredes del hoyo y/o revestidor

Vol anular= vol. hoyo - Capac - Dezpl. c /tub tub. tub

2

2

Vol. anular= ( Dhoyo - Dtub ) x long x 0.000972

Va

Caudal de la Bomba: Se obtiene mediante el diámetro de la camisa y la longitud de la embolada , convirtiendolo en barriles por embolada y multiplicandolo por las emboladas por minuto.

Q =

2

( D pistón x long. pistón x 0.003238 ) x (emboladas por minuto) Q : Bls/min o Galones/min

Tiempo de Circulación: Fondo arriba: Tfa =

Volumen anular (bls) Caudal bomba (bls/min)

Tiempo de circulación: Tc =

Vol. hoyo - Desp. tubería Caudal de la bomba

Circulación completa: Tcc =

Volumen total lodo,(bls) Caudal bomba, (bls/min)

Velocidad Anular: Se expresa en pies /min y se determina con el Caudal de la bomba y el volumen anular

V anular = (Bls/min)

1029 (D hoyo ) 2 - (D tub ) 2

Velocidad Critica: Es la velocidad anular a la cual el modelo de flujo cambia de Laminar a Turbulento 2

Vc (dentro tub.) =

2

1.08 VP + 1.08 VP + 12.34 d Pc Pl Pl d

Vc (espacio anular) =

1.08 VP + 1.08 VP 2 + 9.26 (dh-dt) 2Pc Pl Pl (dh - dt)

Donde:

Vp : Viscosidad Plastica d : Diametro interno tuberia, pulgada Pc : Punto Cedente Pl : Densidad del lodo, lbs/gal

dh : Diametro hoyo, pulgadas dt : Diametro externo,pulgadas