INGENIERÍA DE PERFORACIÓN DE POZOS

CONCEPTOS BÁSICOS DE PERFORACIÓN

El éxito de una buena operación de perforación depende de muchos factores, ninguno de los cuales es más importante que el fluido de perforación o fluido de perforación. Los fluidos de perforación ejecutan una variedad de funciones las cuáles influencian la velocidad de perforación, costo, eficiencia y seguridad de la operación. Más específicamente, los fluido de perforación evitan la entrada de fluido dentro de la pared del pozo, sellando las formaciones permeables para prevenir la pérdida del fluido de perforación dentro de la formación, manteniendo la estabilidad de las formulaciones expuestas, enfriando y lubricando la barrena y veta de perforación, mantiene la presión y estabiliza la formación. Durante la operación, los fluidos de perforación son bombeados hacia el pozo a través de boquillas en la barrena en el fondo del pozo y regresan hacia la superficie por el ángulo formado por el pozo o cubierta y veta de perforación. Una vez alcanzada la superficie. Los fluidos de perforación pasan a través de una serie de cribas rotatorias, tanques de asentamiento hidrociclones y centrífugas para remover detritos de la formación llevados a la superficie. Después son tratados con aditivos para obtener las propiedades deseadas; se bombean de nuevo al pozo y el ciclo se repite. Los fluidos de perforación generalmente se componen de líquidos, ejemplo: agua, aceites de petróleo, aceites sintéticos y otros líquidos orgánicos; aditivos orgánicos e inorgánicos disueltos; y sólidos de varios tipos finamente divididos y suspendidos. Los fluidos de perforación se dividen de acuerdo a la naturaleza de la fase continua. Hay cuatro principales divisiones: gaseoso, (incluyendo espuma), base agua, base aceite y sintético. El desarrollo entre el gobierno y agencias ambientales sobre el impacto ambiental de fluidos de perforación ha llevado a un significante incremento en la dependencia en la industria de fluido de perforación base agua. De hecho, el 85 % de todos los fluidos usados hoy en día son sistemas base-agua. Los tipos depende la composición de la fase acuosa (pH, contenido iónico, etc.), constructores de viscosidad (arcillas, polímeros o una combinación), agentes de control de filtrado (arcillas, polímeros o una combinación) y otros agentes de control reológico (defloculantes o dispersantes).

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GENERALMENTE HAY CUATRO PRINCIPALES TIPOS O CATEGORÍAS DE FLUIDO DE PERFORACIÓN BASE AGUA: 

Agua Fresca: Se consideran fluidos de agua fresca aquellos que tiene agua sin aditivos hasta los fluidos de perforación de alta densidad que contienen arcillas, barita, y varios aditivos orgánicos. La composición del fluido de perforación se determina por el tipo de formación a ser perforada. Cuando se requiere de un líquido viscoso, se agregan arcillas o polímeros solubles en agua. El agua fresca es ideal para formular fluidos de perforación estables. Así mismo algunos aditivos son más eficientes en un sistema de baja fuerza iónica.

Particularmente a elevadas temperaturas, los aditivos orgánicos e inorgánicos controlan el medio reológico de las arcillas. Para controlar el filtrado puede usarse el agua de absorción y/o polímeros solubles en agua y arcillas. El pH del fluido de perforación generalmente es alcalino y de hecho, los agentes de control de viscosidad como las arcillas de montmorillonita son más eficientes a un pH > 9. El agente para controlar la alcalinidad más utilizado es el hidróxido de sodio. Para controlar la presión de las formaciones, los fluido de perforación de agua fresca se densifican con agentes insolubles a la densidad deseada tales cómo barita (sulfato de bario), calcita (carbonato de calcio) y en casos extremos hematita (óxido de hierro). 

Agua de Mar: Muchos pozos en alta mar se perforan usando un sistema de agua de mar por su rápida disponibilidad. Los fluido de perforación de agua de mar se formulan y mantienen generalmente en la misma manera como se usa un fluido de perforación base agua fresca. Sin embargo, debido a la presencia de sales disueltas en el agua de mar, se necesitan más aditivos de electrolitos estables para mantener las propiedades de flujo y filtración deseadas.

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 Tratados

con calcio: Los fluido de perforación frescos o de agua

salada pueden tratarse con yeso o cal para mejorar los problemas de perforación que aumentan al perforar cortes sensibles al agua o formaciones de arcilla. Los fluidos de perforación de yeso (se agrega yeso) se mantienen generalmente en un pH de 9-10, mientras que los fluidos de perforación de cal (se agrega cal) están en un rango de pp. entre 12-13. Generalmente los fluidos de perforación tratados con yeso o con cal requieren de más aditivos para controlar las propiedades de flujo y filtración que los que no los tienen.

 Tratados

con potasio: Los sistemas tratados con potasio,

generalmente combinan uno o más polímeros y una fuente de ion potasio, para prevenir los problemas asociados con la perforación de ciertos cortes sensibles al agua. Las propiedades de flujo y de filtración difieren bastante de otros sistemas base-agua. Los fluidos de perforación potásicos se han ampliado en muchas regiones de perforación

activa

alrededor

del

mundo.

Las

regulaciones

ambientales en los estados unidos han limitado el uso de fluido de perforación potásicos en perforaciones en mar debido a la aparente toxicidad de los altos niveles de potasio en las pruebas de bioensayo requeridas para permitir su descarga.



Bajos sólidos: El agua fresca, la arcilla y polímeros para viscosidad aumentan y compensan el control de filtrado y son llamados fluido de perforación de poliméricos no-dispersos. Se mantienen bajos sólidos usando cantidades mínimas de arcilla y se requiere la remoción de todos y cantidades modestas de los sólidos de perforación.

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La bentonita es por mucho la arcilla más ampliamente usada en fluido de perforación porque proporciona excelentes propiedades reológicas y de filtración al fluido de perforación, especialmente en combinación con polielectrolitos como CMC (Carboxilmetil Celulosa). La arcilla bentonita la cual es principalmente montmorillonita (una arcilla del tipo esmectita) se forma de muchas plaquetas delgadas (láminas). Se han hecho varios intentos para determinar el tamaño de partícula de la montmorillonita, pero esto es bastante difícil por lo plano, forma irregular delgada de las plaquetas y por el amplio rango de tamaños. Las plaquetas de arcilla exhiben una habilidad superior para hincharse uniformemente en agua fresca con aplicación de agitación. El hinchamiento de la arcilla bentonita aglomerada deshidratada en contacto con el agua es causada por la penetración de moléculas de agua entre las plaquetas de la arcilla. La presión de hinchamiento es muy fuerte ya que las capas se separan en pequeños agregados y en uniformes capas individuales. De este modo, se puede obtener una suspensión relativamente estable de arcilla hidratada. En suspensiones acuosas, los bordes de las plaquetas de la bentonita están cargados positivamente mientras que las caras están cargadas negativamente. Debido a estas cargas opuestas hay una interacción con los bordes positivos y caras negativas. Sin embargo en una suspensión de bentonita hidratada en agua fresca (sin electrolitos) estas interacciones electrostáticas son bastante débiles, por la espesa capa acuosa alrededor de las plaquetas de arcilla. Esta espesa capa de agua mantiene las partículas tan cerca una de la otra que la bentonita está casi completamente dispersa pero aún existe una débil floculación como lo muestran las propiedades de gel y punto de cedencia. Una amplia variedad de polímeros orgánicos también sirven para un gran número de útiles propósitos en fluidos de perforación como el aumento de la viscosidad y controladores de la velocidad de filtrado, los cuales son directamente proporcionales al grado de floculación y agregación de las partículas de bentonita en el fluido de perforación de perforación. La habilidad para reducir el filtrado también se influencia por estas propiedades, ejemplo: para tener un buen sedimento en el filtrado para minimizar la pérdida por filtrado en la formación, la suspensión de arcilla debe estar en la condición defloculada. Estos polímeros pueden ser polisacáridos naturales como: almidón, goma Guar, goma Xantana y otros biopolímeros; o derivados de polímeros naturales como los derivados de celulosa, almidón, Guar y otros biopolímeros; o lignosulfonatos, lignitos y polímeros sintéticos, así como también polímeros y copolímeros del ácido acrílico,

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acrilonitrilo, acrilamida y ácido 2-acrilamida-2-metilpropanosulfónico (AMPS). Los creadores de viscosidad más ampliamente usados son los celulósicos, almidones, goma Xantana y poliacrilamidas. La Carboximetil Celulosa de Sodio (CMC) y la celulosa polianiónica (PAC) son dos de los polímeros aniónicos más ampliamente usados en fluidos de perforación para controlar la viscosidad y las velocidades de filtración. Siendo el CMC un polielectrolito, su efectividad como agente viscosificante tiene sus limitaciones, ya que su efectividad disminuye con el incremento de la concentración de electrolitos. En agua fresca un CMC de bajo grado de sustitución (DS) se adsorbe sobre la bentonita mientras que un CMC con un alto grado de sustitución (DS) muestra una cantidad menor de adsorción. Es suficiente una pequeña cantidad de CMC de bajo grado de substitución (DS=0.7) para obtener la dispersión completa de la bentonita ya que se adsorbe en los lados positivos de las placas. El resultado de la dispersión completa se traduce en una reducción de la fuerza del gel a casi cero. En general, una suspensión bien dispersada de bentonita produce un buen enjarre de filtrado y se obtienen excelentes reducción en la pérdida de fluido. Sin embargo este es un sistema que como tal no demuestra significativamente la fuerza del gel ni el punto de cedencia. Es claro que las propiedades reológicas de un fluido de perforación determinan por mucho el éxito de la operación de perforación total. las propiedades reológicas del fluido de perforación determina por mucho: (1) la eficiencia de la limpieza y la estabilidad del fluido de perforación, (2) la eficiencia de la suspensión de cortes, (3) el funcionamiento hidráulico del fluido de perforación, (4) la facilidad en las operaciones del manejo del fluido de perforación, y (5) la velocidad de penetración. Los requerimientos reológicos para estos diversos propósitos podrían muchas de las veces estar en conflicto, así que es necesario optimizar las propiedades del fluido de perforación en orden para obtener el mejor funcionamiento global. Son necesarias las propiedades reológicas óptimas para llevar eficientemente hacia la superficie los cortes obtenidos. Durante la perforación, la viscosidad de alto corte no debe de ser tan alta para que permita la transmisión eficiente de la fuerza hidráulica del fluido de perforación a la barrena. Cuando la circulación se interrumpe o es baja, la viscosidad debe ser alta y la fuerza del gel debe ser lo suficientemente alta para prevenir o minimizar el asentamiento de los cortes.

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