Informe Agua Bentonita Listissisisisiismoooo c3on

Universidad de oriente Núcleo Anzoátegui Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas Departamento de Petróleo Cátedra: Laboratorio de Perforación

SISTEMA LODO AGUA-BENTONITA INFORME Nº1

1

Puerto la cruz, 29 de Mayo de 2012 Contenido Sumario

II

Introducción

III

Fundamentos teóricos

5

Equipos y procedimiento experimental

15

Datos y resultados

23

Discusión de resultados

26

Conclusiones

29

Recomendaciones

30

Importancia del tema en la industria

31

Bibliografía

32

Apéndice 1-A

33

Apéndice 1-B

35

Apéndice 1-C

37

Apéndice 1-D

39

2

Sumario A comienzos del siglo XX a nivel internacional se sabía que nuestro país tenía grandes posibilidades de contener yacimientos de petróleo, y algunas empresas internacionales habían adquirido concesiones para explotar asfalto (en principio de los menes, como los que están en la zona del lago de Guanoco) y para explotar petróleo en caso de conseguirlo, y sí se consiguió petróleo pero no en cantidades considerables hasta 1914, cuando en el pozo “Zumaque-1”.La perforación rotatoria es una técnica donde la mecha se hace rotar al final de un tubo hueco de acero llamado tubería de perforación. La circulación del lodo de perforación tiene varias funciones: remueve los pedazos de roca (ripios de perforación), tapa cavidades en las paredes del pozo, mantiene la broca fresca, y lo más importante, mantiene la seguridad del pozo. De allí radica la importancia de crear un lodo que cumpla con estas condiciones. Preparar un lodo agua bentonita con la finalidad de identificar las propiedades reologicas del lodo; las características físicas y químicas del lodo que se deben mantener según las exigencias operacionales para así poder cumplir con ciertas funciones durante la perforación de un pozo las cuales dependen del tipo de formación a perforar teniendo en cuenta el gradiente geotérmico que se presenta en la formación para tener un mejor funcionamiento de la perforación. La preparación de un lodo nativo (Agua- Bentonita) con un volumen de agua pero con porcentaje de peso de Bentonita de 3,5% al cual se le determina a ciertas propiedades como: Densidad, Viscosidad Marsh, Viscosidad Plástica, Punto Cedente, Viscosidad Aparente y Fuerza Gel a los 10 segundos y 10 minutos con la finalidad de identificar cual es el porcentaje en peso más óptimo que cumpla con las funciones requeridas compradas con los demás pesos de agua bentonita 3

suministrados a los demás grupos. Para la segunda parte de la practica se necesita prepara una suspensión de Agua-Bentonita al 7,5% en peso de bentonita para proceder a densificarlas con Barita y Carbonato de Calcio en diferentes muestras y así estudiar las propiedades anteriormente mencionadas en la preparación de un lodo nativo (Agua-Bentonita), analizando el % de Agua y Sedimento y el % de Arena.

Introducción Una mezcla de un solvente (base) con aditivos ó productos, que cumplen funciones físico-químicas específicas, de acuerdo a las necesidades operativas de una formación a perforar es lo que se explica cómo fluido de perforación; con el objetivo de cualquier operación es perforar, evaluar y terminar un pozo que producirá petróleo y/o gas en forma rentable las condiciones mas optimas. El fluido de perforación desempeña numerosas funciones que contribuyen al logro de una perforación en las mejores condiciones. El ingeniero de fluidos se asegurará que las propiedades del lodo sean correctas para el ambiente de perforación. Existen diversos tipos de lodos en función de su composición. Por una parte están los denominados "naturales", constituidos por agua clara (dulce o salada) a la que se incorpora parte de la fracción limoso.-arcillosa de las formaciones rocosas conforme se atraviesan durante la perforación. Se utilizan especialmente en el sistema de circulación inversa (en la circulación directa se requieren lodos de mayor densidad y viscosidad). Las propiedades reológicas más importantes de un lodo de perforación son la viscosidad plástica, viscosidad aparente, punto cedente y la resistencia al Gel. El control de la reología del lodo es el aspecto más relevante cuando se esta perforando y va a depender de la composición química que éste posea, es decir, la concentración de aditivos químicos en el lodo de perforación.

4

La base es un lodo bentonítico puro formado por una suspensión de arcilla montmorillonítica en agua, sea adicionan ciertos productos para conseguir unas características y propiedades del lodo que se aproximen a las consideradas experimentalmente como más óptimas. Se debe tener en cuenta que la presencia de muchas partículas solidas que con la hidratación de la bentonita que es la arcilla tiende a disminuir su eficiencia y esto no se quiere ya que resultaran problemas operacionales que es lo que no se quiere que pasen en la perforación de un pozo.

Fundamentos teóricos La perforación de un pozo en tierra o mar consiste en la penetración de las diversas capas de roca hasta llegar al yacimiento. Antiguamente este proceso se hacía mediante el golpeteo del suelo y la roca con algún material duro (barrena) hasta desgastarlos, se retiraban los recortes de material con alguna cubeta y se continuaba con la operación de golpeo. En 1859 se desarrollo la teoría de perforar manteniendo la barrena todo el tiempo en o con la roca y no en forma intermitente como el método anterior (por percusión) y que el corte de roca se hiciera mediante la rotación continúa de la barrena. Actualmente para perforar un pozo, se utiliza de manera general, un sistema rotatorio que consiste en hacer girar una barrena conectada a una tubería para taladrar la roca. Los fragmentos resultantes son llevados a la superficie a través del espacio anular formado por las paredes de la formación rocosa y la tubería suspendidos en un fluido diseñado especialmente para esta operación. Esta operación de perforar un pozo se lleva a cabo mediante una herramienta denominada Barrena la cual está localizada en el extremo inferior de la sarta de perforación que se utiliza para cortar o triturar la formación penetrando el subsuelo terrestre. La acción de corte de sus dientes, el movimiento rotatorio, la carga ejercida por las tuberías que soporta, el flujo de fluido a alta velocidad son los elementos que provocan cortar las diferentes capas de rocas.

5

La calidad del fluido de perforación pueda ser ajustadas a las características de las rocas que desmenuza la barrena. Originalmente, cuando se usaba el método de perforación a percusión, la barra de perforación ahondaba el hoyo percutiendo sobre la roca. Sin embargo, la acumulación de mucha roca desmenuzada en el fondo del hoyo entorpecía el avance de la perforación. La mejor manera disponible entonces para limpiar el fondo del hoyo de tanto ripio era extraer la barra y se le echaba agua al hoyo para hacer una mezcla aguada fácil de extraer utilizando el achicador. El achicador, de forma tubular, con una válvula en el extremo inferior y su asa en el extremo superior, también servía de batidor y su inserción y extracción del hoyo se hacía utilizando el cable auxiliar para achicar. De allí, para el perforador de la época y su cuadrilla, se originó que a lo extraído se le llamase barro, término hoy inaplicable al fluido de perforación por razones obvias.

Funciones del fluido de perforación Las funciones del fluido son varias y todas muy importantes. Cada una de ellas por sí y en combinación es necesaria para lograr el avance eficiente de la barrena y la buena condición del hoyo. Estas funciones son: 

Enfriar y lubricar la barrena: acciones cuyos efectos tienden a prolongar la durabilidad de todos los elementos de la barrena: A medida que se profundiza el hoyo, la temperatura aumenta.

Generalmente, el gradiente de temperatura puede ser de 1 a 1,3°C por cada 55 metros de profundidad. Además, la rotación de la barrena en el fondo del hoyo genera calor por fricción, lo que hace que la temperatura a que está expuesta sea mayor. Por tanto, la circulación del fluido tiende a refrescarla. El fluido, debido a sus componentes, actúa como un lubricante, lo cual ayuda a mantener la rotación de los elementos cortantes de la barrena. Los chorros de fluido que salen a alta velocidad por las boquillas de la barrena limpian los elementos cortantes, asegurando así su más eficaz funcionamiento.

6



Arrastrar hacia la superficie la roca desmenuzada (ripio) por la barrena: Para lograr que el arrastre sea eficaz y continuo, el fluido tiene que ser

bombeado a la presión y volumen adecuado, de manera que el fondo del hoyo se mantenga limpio y la barrena avance eficazmente. La velocidad del fluido por el espacio anular y sus características tixotrópicas son muy importantes para lograr la limpieza del hoyo. Al cesar la circulación del fluido, el ripio no debe irse al fondo del hoyo, ya que tal situación presenta el riesgo de que la barrena, los lastra barrena o la tubería de perforación sean aprisionados y con tan mala suerte de no poder rescatar las piezas y perder buena parte del hoyo. De allí la importancia de las buenas cualidades tixotrópicas del fluido, gelatinización inicial y final de 10 minutos por las cuales se aprecia su fluidez y espesura en reposo, que le imparte la propiedad de mantener el ripido en suspensión. 

Depositar sobre la pared del hoyo un revoque delgado y flexible y lo más impermeable posible que impida la filtración excesiva de la parte líquida del fluido hacia las formaciones: El espesor del revoque, expresado en milímetros, está en función de los

constituyentes y otras cualidades del fluido. Por ejemplo, la cantidad de sólidos en el fluido afecta la calidad del revoque, ya que lo hace menos impermeable. De igual manera, la excesiva filtración hacia la formación en el caso de una lutita muy bentonítica ehidrofílica causa que la formación se hinche y, por ende, se reduzca el diámetro del hoyo. Tal reducción puede ocasionar contratiempos a la sarta de perforación. En casos extremos, la hinchazón puede degenerar en la inestabilidad de la pared del hoyo y hasta desprendimientos. 

Controlar por medio del peso del fluido la presión de las formaciones que corta la barrena:

7

Generalmente la presencia de gas, petróleo y/o agua en una formación significa que pueden estar a baja, mediana, alta o muy alta presión. A medida que el hoyo se profundiza se espera mayor presión. Sin embargo, la experiencia y las correlaciones regionales depresiones sirven para dilucidar las posibles situaciones que puedan presentarse. La presión que puede ejercer una columna de fluido de perforación, en el caso de que fuese agua fresca, es de 0,1 kg/cm 2/metro de altura o de profundidad. Pero como generalmente el gradiente de presión (kg/cm2 /metro de profundidad) que se da en las formaciones es mayor que el gradiente normal de presión de agua, entonces el fluido debe tener más peso que el agua, o sea mayor gravedad específica, de acuerdo con la presión que en favor de la columna se desee para tener la presión de la formación siempre bajo control durante la perforación o cuando la sarta esté fuera del hoyo.

Control del fluido de perforación La importancia del buen mantenimiento y funcionamiento del fluido depende del control diario de sus características. El personal en el taladro de perforación hace visitas rutinarias al taladro y realiza análisis de las propiedades del fluido y por escrito deja instrucciones sobre dosis de aditivos que debe a añadirse para mantenimiento y control físico y químico del fluido. El sistema de circulación en sí cuenta además con equipo auxiliar y complementario representado por tanques o fosas para guardar fluido de reserva; tolvas y tanques para mezclar volúmenes adicionales; agitado-res fijos mecánicos o eléctricos de baja

y/o

alta

desgasificadores;

velocidad;

agitadores

desarenadores;

giratorios

tipo

se-paradores

de

de

chorro

cieno;

(pistola);

sitio

para

almacenamiento de materiales básicos y aditivos, etc. El fluido de perforación representa, aproximadamente, entre 6 y 10 % del costo total de perforación y a medida que aumentan la profundidad, los costos de equipos y materiales y la inflación, el costo del fluido tiende a incrementarse.

Reología de los fluidos de perforación 8

Relación entre esfuerzo y deformación en un sólido. Para unas condiciones dadas de presión y temperatura, el material responde a la aplicación de un esfuerzo primero con una deformación elástica (reversible, cuyo trabajo se acumula en forma de energía potencial) que es directamente proporcional al esfuerzo; luego con una deformación plástica (irreversible, que se disipa en forma de calor), que crece más deprisa que el esfuerzo; y por último, con una deformación rígida (rotura), que a diferencia de las anteriores, rompe la continuidad original del material.

Principales propiedades reológicas y parámetros que definen y deben controlarse en los lodos de perforación 

Densidad Define la capacidad del lodo de ejercer una contrapresión en las paredes

de la perforación, controlando de este modo las presiones litostática e hidrostática existentes en las formaciones perforadas. Se determina pesando en una balanza un volumen conocido de lodo. La escala de la balanza (Baroid) da directamente el valor de la densidad del lodo. La densidad de los lodos bentoníticos puede variar desde poco más de la unidad hasta 1,2 aproximadamente. Para conseguir densidades mayores y que el lodo siga siendo bombeable, es preciso añadir aditivos como el sulfato bárico (baritina) que tiene una densidad comprendida entre 4,20 y 4,35, lográndose lodos con densidades de hasta 2,4. Otros aditivos para aumentar la densidad, aunque menos usados, son la galena (7,5), con cuya adición se pueden alcanzar densidades análogas a la de la baritina, el carbonato cálcico (2,7) o la pirita (5). Para rebajar la densidad será preciso diluir el lodo mediante la adición de agua. En los lodos preparados para perforar pozos para agua, las densidades oscilan entre 1,04 y 1,14 sin que sean más eficaces cuando se sobrepasa esta cifra e incluso pueden aparecer problemas de bombeo y peligro de tapar con ellos horizontes acuíferos. Además, el aumento de la densidad del lodo no tiene un

9

efecto grande en el mantenimiento de las paredes del pozo, más bien, es mayor la influencia de sus propiedades tixotrópicas y la adecuación de los restantes parámetros a la litología y calidad de las aguas encontradas. Si hubiera que controlar, por ejemplo surgencias, la densidad puede incrementarse mediante adición de aditivos pesados. Durante la perforación se pueden producir de forma natural variaciones en la densidad del lodo que deben controlarse y corregirse adecuadamente. Así, por ejemplo, un aporte de agua clara debido a la perforación de un nivel acuífero productivo (con una presión hidrostática superior al peso de la columna de lodo), o simplemente a una infiltración puntual debida a precipitaciones intensas, puede diluir el lodo disminuyendo la densidad. Por contra, la densidad puede incrementarse por la incorporación de fracciones finas procedentes de la propia formación geológica que se esté perforando. 

Viscosidad Es la resistencia interna de un fluido a circular. Define la capacidad del

lodo de lograr una buena limpieza del útil de perforación, de mantener en suspensión y desalojar los detritus y de facilitar su decantación en las balsas o tamices vibrantes. En los bombeos, a doble viscosidad será necesaria una doble potencia. Según la fórmula de Stokes, la velocidad de caída del detritus en el fluido es inversamente proporcional a su viscosidad, y por tanto, la capacidad de arrastre lo es directamente. Es preciso adoptar, por tanto, una solución de compromiso viscosidad no muy grande para que el lodo sea fácilmente bombeable, pero no tan pequeña que impida al lodo extraer el detritus producido. La viscosidad del lodo se determina a pie de sondeo mediante el denominado "embudo Marsh", y según normas API, expresándose por el tiempo

10

(en segundos) que tarda en salir por un orificio calibrado un determinado volumen de lodo. Para la perforación de pozos, la viscosidad óptima suele oscilar entre 40 y 45 segundos, preferentemente alrededor de 38 (la viscosidad Marsh es aproximadamente de 26 s). La medida de la viscosidad debe realizarse con lodo recién agitado. Para cálculos más precisos se determina la viscosidad en laboratorio utilizando el "viscosímetro Stomer" y expresando los datos en centipoises. Las medidas tienen que estar referenciadas con respecto a la temperatura del lodo (el agua a 29ºC tiene una viscosidad de 1 centipoise). 

Tixotripa Es la propiedad que tienen las suspensiones bentoníticas de pasar de gel

a sol mediante agitación. Ciertos geles pueden licuarse cuando se agitan vibran y solidificar de nuevo cuando cesa la agitación o la vibración. Las agitaciones o vibraciones, o incluso menores perturbaciones mecánicas hacen que una sustancia tixotrópica se vuelva más fluida, hasta el extremo de cambiar de estado, de sólida a líquida pudiendo recuperarse y solidificar de nuevo cuando cesa la agitación o vibración. Ciertas arcillas presentan propiedades tixotrópicas (por ejemplo las suspensiones bentoníticas). Cuando las arcillas tixotrópicas se agitan, se convierte en un verdadero líquido, es decir, pasan de "gel" a "sol". Si a continuación se las deja en reposo, recuperan la cohesión y el comportamiento sólido. Para que una arcilla tixotrópica muestre este comportamiento deberá poseer un contenido en agua próximo a su límite líquido. En cambio, en torno a su límite plástico, no existe posibilidad de comportamiento tixotrópico. Gracias a esta propiedad, independiente de la densidad,

los lodos

colaboran en el mantenimiento de las paredes de la perforación, incluso en formaciones de baja cohesión, al tiempo que ayudan a mantener el detritus en 11

suspensión al interrumpirse la circulación de los mismos (extracción del varillaje, averías de la bomba o del circuito, etc.) evitando en buena parte que se depositen sobre el útil de perforación y lo bloqueen. Para que un lodo bentonítico pase de sol a gel inmediatamente después de dejarlo de agitar, se requieren concentraciones del orden del 20% en peso. Hasta concentraciones del 3%, prácticamente no gelifica, haciéndolo algún tiempo después de haberse detenido la agitación para concentraciones comprendidas entre el 5-10%. Estas últimas son las que normalmente se utilizan para lodos de perforación. La medida de la tixotropía puede hacerse valiéndose de un viscosímetro rotativo, generalmente de "tipo Stormer". Mediante este instrumento se determina el peso necesario, en gramos, para que comiencen a girar las aspas, para un gel recién agitado (gel 0), y el peso necesario para que ocurra lo mismo con un lodo, 10 minutos después de haber terminado su agitación (gel 10). La diferencia en peso (expresada en gramos) entre el gel 0 y el gel 10, indica, a "grosso modo", el grado de tixotropía del lodo. 

Costra y agua de filtrado (cake) Parte del lodo, que impulsado por la bomba circula por el espacio anular

comprendido entre la pared del varillaje y la de la perforación, se filtra a través de ésta, depositando en la misma partículas coloidales que forman una costra (cake). Esta costra proporciona una cierta cohesión a las formaciones en o con la perforación ayudando a sostener sus paredes al mismo tiempo que las impermeabiliza, dificultando el paso del lodo hacia los acuíferos. Es por ello que un buen lodo debe permitir la formación de esta costra. Por tanto, la costra debe ser resistente e impermeable. Resistente para que no sea fácilmente erosionable por el roce de la sarta o columna de perforación, e impermeable para que su espesor se mantenga dentro de estrechos límites, compatibles con el mantenimiento del diámetro de la perforación. Esto no

12

ocurriría si el agua libre del lodo se filtrase continuamente a través de la costra, aumentando el espesor de ésta con el depósito continuo de partículas coloidales. La capacidad de construir el "cake" de un lodo depende del agua libre de éste, así como de la permeabilidad de las paredes del sondeo. Para estimar estas capacidades se utiliza un filtro-prensa normalizado, haciéndose pasar el lodo durante 30 minutos, con la prensa tarada a una presión máxima de 7 kg/cm2. Un lodo de perforación de buenas características, no debe dejar pasar más de 20 cm3 de filtrado, formando un cake de espesor comprendido entre 5 y 8 mm. 

pH Las condiciones de equilibrio químico de un lodo marcan la estabilidad de

sus características. Una variación sustancial del pH debida por ejemplo a la perforación de formaciones evaporíticas, salinas, calcáreas u horizontes acuíferos cargados de sales, puede provocar la floculación del lodo, produciéndose posteriormente la sedimentación de las partículas unidas. La estabilidad de la suspensión de bentonita en un lodo de perforación es esencial para que cumpla su función como tal, por lo que será necesario realizar un continuo control del pH. Esto se puede llevar a cabo mediante la utilización de papeles indicadores (sensibilidad alrededor de 0,5 unidades) sin necesidad de recurrir a ph-metros, ya que son delicados para usarlos de forma habitual en el campo. En general, un lodo bentonítico es estable cuando su pH está comprendido entre 7 y 9,5, aproximadamente, precipitando fuera de este intervalo. Para corregir y mantener el pH dentro de los límites adecuados se pueden utilizar diferentes productos. 

Contenido de arena Un lodo de perforación en buenas condiciones debe presentar un

contenido en fracciones arenosas prácticamente nulo (inferior al 2-3%). Si para su fabricación se usan productos de calidad, debe estar exento de arena. Sin 13

embargo, a lo largo de la perforación y especialmente en acuíferos detríticos, es inevitable que a medida que avance la perforación, el lodo se va a ir cargando en arena, empeorando sus condiciones. Se ha comprobado que con contenidos de arena superiores al 15%, los lodos sufren un incremento "ficticio" de la densidad, repercutiendo en la viscosidad y la tixotropía. Además, el contenido en arena resulta especialmente nocivo para las bombas de inyección al desgastarlas prematuramente. Para combatir estos efectos se disponen desarenadores. La forma más elemental consiste en dejar decantar en una balsa el lodo que retorna a la perforación, aspirándolo nuevamente en otra a la que ha llegado de la anterior por un rebosadero de superficie. Procedimientos más rápidos y eficaces, y a la larga menos costos, son las cribas vibratorias y los desarenadores centrífugos (ciclones). El control del contenido en arena se realiza mediante tamices normalizados, más concretamente, el tamiz 200 (200 hilos por pulgada, equivalente a 0,074 mm, 74 micras), expresándose en porcentajes. En un lodo se considera arena a la fracción fina que pasa por este tamiz. Para determinar la cantidad de arena que contiene, se toma una muestra de lodo de 100 cm3, pasándola por la malla del tamiz 200. El residuo retenido sobre el tamiz después del lavado con agua, se vierte en un tubo de cristal graduado en %, de 100 cm3 de volumen, expresándose el contenido de arena por la lectura correspondiente. Existe un dispositivo específico denominado "tamiz Baroid o elutriómetro", en el que el tamiz va intercalado entre un recipiente de volumen determinado y una probeta transparente graduada en porcentajes.

Factores que afectan la reologia. 

Temperatura

14

La reología de un lodo depende de la temperatura. Si un lodo se ensaya en un viscosímetro a 70 ºF, luego se calienta y se vuelve a ensayar a 140 ºF, se obtendrán resultados muy diferentes.

En el ejemplo anterior la viscosidad

disminuiría con el incremento de la temperatura. 

Presión La presión ejerce poco efecto sobre la reología de los lodos de base agua,

pero puede afectar significativamente la de los lodos base petróleo. 

Tiempo La reología de un lodo depende del tiempo, ya que el lodo contiene una

serie de sólidos en suspensión es necesario realizar los ensayos reológicos lo más pronto posible después de que se le haya retirado del agitador a fin de evitar que dicho sólidos se decanten.

15

Equipos y procedimiento experimental Equipos 

Balanza de lodos: La balanza para lodos está diseñada de tal forma que la copa de lodo del

brazo graduado esta balanceado por un contrapeso fijo al otro extremo del brazo, con una escala lectora de peso deslizable, que se mueve a lo largo del brazo graduado. Para asegurar un preciso balance, se ha montado un nivel de burbuja sobre el brazo le lectura. Las balanzas de plastico y metalicas son instrumentos robustos, construidos para soportar las condiciones extremas del trabajo de campo, y se han diseñado para reducir la necesidad de recalibraciones. 

Balanza analítica: Se conoce como balanza analítica a un tipo de balanza que se caracteriza

por dar datos exactos y muy específicos respecto del peso de un objeto o elemento particular. La balanza analítica es mucho más exacta que otras balanzas que funcionan a partir de una rueda de peso y que dan un peso estimado para el elemento que está siendo pesado (estas últimas son las típicas balanzas que solían encontrarse en farmacias o en almacenes y que contaban con una aguja que giraba alrededor de un círculo para indicar un peso aproximado). 

Embudo de Marsh: Sirve para comparar la fluidez de un líquido con la del agua. A la viscosi-

dad embudo se le concede cierta importancia práctica aunque carece de base científica, y el único beneficio que aparentemente tiene, es el de suspender el ripio de formación en el espacio anular, cuando el flujo es laminar. Por esta razón, generalmente no se toma en consideración para el análisis riguroso de la tixotropía del fluido. Es recomendable evitar las altas viscosidades y perforar con la viscosidad embudo más baja posible, siempre y cuando, se tengan valores aceptables de fuerzas de gelatinización y un control sobre el filtrado. Un fluido contaminado exhi-

16

be alta viscosidad embudo. El embudo se utiliza para determinar la viscosidad del fluido en segundos por cuarto de galón. 

Agitador eléctrico: Es un aparato que consta de un motor eléctrico que hace girar a un eje

alargado que posee unas pequeñas aspas que le dan un movimiento circular al fluido en forma de remolino. El equipo consta de un potenciómetro con el cual podemos cambiar a la velocidad con la cual se desee mezclar el lodo y así mantenerlo en constante movimiento. 

viscosímetro rotacional: Es un cilindro giratorio, cilindro estacionario (bob), resorte de restitución,

dial de lectura directa, un sistema de engranaje y perillas para el cambio de velocidades y un vaso contenedor de muestra de fluido. El viscosímetro rotacional más común es el de “Fann”. Este viscosímetro se utiliza, tomando una prueba del lodo en el vaso contenedor y en él se introduce el cilindro giratorio que hace o directo con el lodo. La lectura de los datos se debe tomar de forma inmediata, pues a medida que se mantiene el cilindro girando, las propiedades del lodo se pueden ver alteradas. En el viscosímetro rotacional el lodo es sometido a corte a una velocidad constante entre un flotante (bob) y una camisa externa que rota. Se puede pensar que el cuerpo de fluido en ese espacio anular está formado por capas concéntricas cilíndricas. Sin embargo, el flujo del fluido es rotacional, en vez de longitudinal. La capa más externa del fluido se mueve con la velocidad de la camisa. A una velocidad constante de torsión, la cantidad de torsión impartida al flotante (bob) está determinada por la resistencia que cada capa de fluido ofrece al deslizamiento de las capas vecinas, es decir, por el esfuerzo de corte. 

Kit de arena: Una de las funciones primarias de un fluido de perforacion es transportar

los solidos perforados desde el hueco perforado. Estos solidos son un contaminante y, si se dejan en el sistema, pueden producir numerosos problemas. El Kit 17

de arena se utiliza para contenido de arenas determina el porcentaje volumetrico de particulas de tamaño de arena en el fluido de perforacion. API define como particulas del tamaño de arena a cualquier material con un tamaño de particula mayor a 74 micrones (200 mesh). El ensayo puede realizarse sobre fluidos de bajos solidos, como asi tambien sobre fluidos densificados. El Kit consiste de un tubo de vidrio graduado, para leer el porcentaje (%) en volumen, un embudo, y un tamiz de 200 mesh contenido en un portatamiz de forma cilindrica. 

Retorta: Determinar el porcentaje en volumen de los sólidos de alta y baja gravedad

especifica. Calcular en los fluidos base agua, el porcentaje de sólidos no reactivos de formación, tomando como referencia el porcentaje total de sólidos obtenido en la retorta cuantificar la eficiencia de los equipos de control de sólidos, en base a los resultados del análisis de sólidos.

Procedimiento experimental Practica 1-A Preparar suspensiones de agua bentonita de seis (6) barriles en los porcentajes de 3.5, 6.5, 7 y 9.5 en peso de bentonita. Determinar para cada uno de los porcentajes las siguientes propiedades: a) Densidad (lbs / gal). b) Viscosidad Marsh (seg. Marsh/32 onzas). c) Viscosidad aparente (s) d) Punto cedente (lbs / 100 pie²). e) Viscosidad plástica (s). f)

Fuerza de Gel – 10’ 10’’ (lbs/100pie2)

g) Rendimiento de Arcilla (bls / ton). Alcalinizar con 0.02 lbs/bbl de NaOH.

18

NOTA: Cada equipo analizara una suspensión al finalizar la práctica se intercambiaran los resultados. EQUIPO

SUSPENSIÓN

1–3

3.5% y 6.5%

4 – `5

7% y 9.5%

Calculo de densidad a través de la Balanza de lodo 1. Llenar la copa con el lodo que se va a analizar. 2. Colocar la tapa sobre la copa y asentarla firmemente, pero en forma lenta con un movimiento giratorio. Asegurarse que sale un poco de lodo por el orificio de la tapa. 3. Lavar o escurrir los restos de lodo que se encuentren en el exterior de la copa o el brazo. 4. Colocar el espigón sobre el soporte y mover el cursor a lo largo del brazo graduado hasta que la burbuja del nivel indique la nivelación correcta. 5. Leer la densidad del lodo en el lado izquierdo del cursor en su unidad correspondiente Viscosidad marsh. Usando el embudo marsh. 1. Tapar el extremo del embudo con un dedo y verter lodo a través del tamiz hasta que el nivel coincida con la base del tamiz. Sostener firmemente el embudo sobre una jarra graduada con indicación de 946 cc (1/4 de galón). 2. Retirar el dedo del extremo y medir con un cronómetro el tiempo que toma en escurrir 946 cm³ de lodo a través del embudo. El número de segundos registrados es la viscosidad Marshs

19

Viscosidad

plástica,

viscosidad

aparente,

punto

cedente

y

resistencia al gel con la utilización del viscosímetro de fann. 1. Colocar la muestra recientemente agitada en el recipiente y sumergir el cilindro del rotor hasta la marca que se encuentra grabada en el exterior del rotor. 2. Se pone en marcha el motor y se pone en su posición más baja el botón que acciona la caja de velocidades para obtener la más alta velocidad de 600 rpm y coloca el switch en posición HIGH. Se mantiene la agitación durante 10 a 15 segundos hasta obtener una lectura constante en el dial, anotar el valor. 3. Se coloca el switch en posición LOW para obtener baja velocidad. El valor constante del dial a baja velocidad es la lectura a 600 rpm. 4. El valor resultante de la resta de las lecturas a 600 y 3000 rpm se expresa como viscosidad plástica (Vp). Y como punto cedente en libras /100pie 2el valor obtenido de la resta de la lectura de 300 rpm y la viscosidad plástica. NOTA: el cambio de una velocidad a otra se hace por medio de un engranaje (perilla o botón rojo). Para evitar daños en el aparto el cambio se debe efectuar con el motor en funcionamiento. 5. Agitar

la

velocidad segundos.

muestra y permitir Colocar

de

lodo

que

por

10

permanezca

segundos sin

a

una

alta

perturbar

por

10

la velocidad en 3 rpm. y hacer girar el rotor

lentamente en dirección opuesta a las manecillas de un reloj para producir una lectura del dial positiva. La lectura máxima es la resistencia de gel de 10 segundos en lb / 100 pies2. La

temperatura de las muestras debe

registrarse en el informe en grados Fahrenheit. 6. Agitar la muestra nuevamente por 10 segundos a una alta velocidad y permitir que permanezca quieta por 10 minutos. La medición se hace

20

exactamente como la de 10 segundos y es registrada como la resistencia de gel de 10 minutos en lb / 100 pies2.

Procedimiento experimental Practica 1-b 1. Preparar la suspensión óptima (lodo base), de acuerdo al análisis del rendimiento de arcilla realizada en la practica 1-A en un volumen de 3 barriles, con densidades que sean capases de controlara las presiones de formación con su respectivo sobre balance, mostrada en la tabla anexa y con el densificante que le corresponda a cada grupo Grupo

Presión de

Profundidad

formación

Sobre

Densificante

Balance

a usar

I

800 lpc

1748 pies

0.6 lpg

Barita

II

464,280 lpc

1359 pies

200 lpc

Carbonato de calcio

III

1099,58 lpc

2761pies

250 lpc

Carbonato de calcio

IV

1280 lpc

1280 pies

0,4 lpg

Barita

2. Separar un barril de lodo base y densificarlo de acuerdo a la tabla anterior 3. Determinar para cada lodo densificado a) Densidad (lbs / gal). b) Viscosidad Marsh (seg. Marsh/32 onzas). c) Viscosidad aparente (s) d) Punto cedente (lbs / 100 pie²). e) Viscosidad plástica (s).

21

f) Fuerza de Gel – 10’ 10’’ (lbs/100pie2) g) % De Agua y Sedimento h) % De Arena Alcalinizar con 0.02 lbs/bbl de NaOH. En la primera parte se describió como se efectuó las mediciones de: densidad, viscosidad (marsh, aparente y plástica), punto cedente y fuerza gel; y a continuación describiremos los aparatos para calcular ambos porcentajes (%). Porcentaje de líquidos y sólidos (retorta kit) Para determinar la cantidad de líquidos y sólidos de un fluido de perforación se requiere el uso de la retorta. El procedimiento es el siguiente: 1. Desenroscar la cámara inferior con la ayuda de la espátula 2. Sacar y reemplazar la lanilla de acero de la cámara superior. 3. Limpiar y llenar con lodo la cámara inferior (10 cc). Asegurarse que no haya aire en la misma. Esta es una fuente muy común de error. 4. Limpiar el exceso de lodo y enroscar la cámara inferior en la superior. Usar lubricante en la rosca. 5. Colocar la retorta en la caja aislante. Bajar la tapa. 6. Colocar debajo de la descarga del condensador un cilindro graduado porcentualmente y totalmente limpia. 7. Calentar la retorta (30 minutos) y continuar el calentamiento durante 10 minutos, después que no se haya recogido más condensado en el cilindro. Todos los sólidos suspendidos y disueltos serán retenidos en la retorta. 8. Leer el porcentaje de agua. El porcentaje de sólidos es igual la diferencia entre 100 % y el porcentaje de agua.

22

Contenido de arena: Para determinar el contenido de arena en un lodo de perforación se utiliza un equipo especial que indica en forma directa el porcentaje por volumen de arena. El procedimiento es el siguiente: 1. Llenar el recipiente de vidrio con lodo hasta la marca de 50 cc. Luego agregar agua hasta la marca de 100 cc. Tapar la boca del tubo con el pulgar y agitar vigorosamente. 2. Verter la mezcla sobre el tamiz limpio y previamente mojado. Añadir más agua al recipiente, sacudir y nuevamente verter mezcla sobre la malla. Repetir este proceso hasta tanto el agua esté clara. 3. Fijar el embudo en la parte superior del tamiz, invertirlo lentamente, colocando el pico del embudo en la boca del tubo y lavar la arena rociando agua sobre la malla. 4. Esperar que la arena se precipite y registrar el porcentaje de arena por volumen, tomando la lectura directamente del recipiente graduado. Indicar de donde se tomó la muestra de lodo.

23

Datos y Resultados Practica 1-A Estudio de un lodo nativo Tabla 1. Prepara una suspensión de agua bentonita en un volumen de 6 barriles en un porcentale de 3.5% en pesos de bentonita. Porcentaje en

Densidad del

Volumen de

Peso Bentonita

Peso (%)

lodo (lbs/gal)

Agua (cc)

(lbs)

3.5%

8.4663

2067.3361

75.1015

Tabla 2. Valores obtenidos de las propiedades del Lodo Agua-bentonita a diferentes concentraciones. Propiedades

Grupo I

Grupo II

Grupo III

Grupo IV

Porcentaje

3.5

6.5

7

9.5

en Peso (%)

24

8.50

8.67

8.70

8.8

L 600

6

16

23

56

L 300

4

10

15

40

Gel 10''

2

6

7

41

4

8

16

64

2

6

8

16

3

8

11,5

28

2

4

7

24

Densidad (lpg)

(lb/100ft2) Gel 10' 2

(lb/100ft ) Visc. Plástica (s) Visc. Aparente (s) Punto cedente (#/100 ft2 )

Tabla 3. Datos usados para realizar las graficas. Grupo

I

II

Porcentaje en Peso 3.5 6.5

III

IV

7

9.5

(%) Visc. Aparente

3

8

11.5 28

Practica 1-B Densificación de un lodo nativo. 25

Tabla 4. Valores necesarios para preparar 3 Barriles de una suspensión agua bentonita al 7 % en peso de arcilla. Porcentaje en

Densidad del

Volumen de

Peso Bentonita

Peso (%)

lodo (lbs/gal)

Agua (cc)

(lbs)

7% Tabla 5. Registro de la densidad y peso especifico de la arcilla y agentes densificantes. Densificante

Gravedad Específica Densidad (lpg) Grupo a utilizar

Barita (BaSO4)

4.25

Calcita (CaCO3) 2.7

35.4025

1y4

22.490

2y3

Tabla 6. Valores obtenidos de las propiedades de perforación con aditivos densificantes. Propiedades

Lodo

Grupo I

Grupo II

Grupo III

Grupo IV

7.25

7.31

7.16

7.39

8.697

9.41

9.41

9.45

9.41

L 600

23

42

35

39

39

L 300

15

29

24

28

28

Gel 10''

7

20

15

19

20

base Ph Densidad (lpg)

(lb/100ft2)

26

Gel 10'

16

31

26

30

32

8

13

11

11

11

11.5

21

17.5

19.5

19.5

7

16

13

17

17

2

(lb/100ft ) Visc. Plástica (s) Visc. Aparente (s) Punto cedente (#/100 ft2 )

Discusión de resultados Esta primera práctica que lleva por nombre lodo nativo se divide en dos partes la parte “1-A” la cual es el lodo base agua-bentonita y la parte “1-B” lodo base agua-bentonita densificado. En la práctica 1-A se hizo la elaboración de un lodo agua bentonita al cual se le realizaron el análisis a las siguientes propiedades: Densidad: Al realizar el lodo en el laboratorio y el análisis de la densidad se pudo observar que los resultados obtenidos en las muestras de lodo fueron las esperadas que se habían realizado por medio de cálculos previos, lo que 27

demuestra que tanto la preparación del lodo y los cálculos fueron realizados bien, y se puede entender que al agregar mayor cantidad de masa de viscosificante el lodo aumenta su densidad. Resistencia gel: al prepara el lodo de perforación se quiere que posea geles q al detener la bomba al momento de perforar tenga la capacidad de suspender los solidos y el material densificante al hacerle el análisis de los geles a los diez (10) segundos y a los diez (10) minutos indican que a menor tiempo la resistencia es menor y también contribuye la menor cantidad de aditivo, es menor debido a que dura poco tiempo sin agitarse. Viscosidad plástica: Viscosidad plástica: A medida que aumenta el % de arcilla, aumenta la viscosidad plástica debido al incremento de solidó, pero los valores que entran en el rango teórico de la viscosidad plástica es el grupo número 3, ya que su viscosidad fue de 8 s, lo que proporciona una mejor perforación al usar este valor. Viscosidad aparente: Al igual que la viscosidad plástica él % de arcilla incrementa la viscosidad aparente, a medida que este aumente, y el valor que es más recomendable usar para perforar y tener un mejor acarreo de ripios es el del grupo 4, con un valor de Va= 16s lo que entra en el rango teórico que es 15 s. Punto cedente: el rango en que se debe encontrar es entre 7 y 12lb/100ft², lo que demuestra que en la práctica, el lodo que se acerco mas a este valor fue el de 7% con un valor de 7, lo que se puede decir que es el que se puede usar, ya que los otros no entran en el rango y no pueden usarse porque pueden causar daño. Viscosidad de embudo: El rango establecido por API es de (35 a 45 seg/32oz) lo que demuestra que el valor más recomendado es el del grupo 3 con un % de arcilla de 7% que es 36,23, en esta viscosidad al igual que las otras aumenta a medida que incrementa el % de arcilla. En la práctica 1-b se hizo la elaboración de un lodo agua bentonita que resulto ser el lodo base y luego se densifico con barita al cual se le realizaron el análisis a las siguientes propiedades como en la práctica 1-A: 28

Densidad: Al realizar el lodo en el laboratorio y el análisis de la densidad se pudo observar que los resultados obtenidos en las muestras de lodo fueron las esperadas que se habían realizado por medio de cálculos previos, lo que demuestra que tanto la preparación del lodo y los cálculos fueron realizados bien, y se puede entender que al agregar mayor cantidad de masa de viscosificante el lodo aumenta su densidad. Ph: Los valores arrojados por el pHmetro fueron analisados y concuerdan con lo que se esperaba ya que se estimaba tener un pH mayor a siete (7) para que fuera un lodo base y no dañe la tubería al momento de realizar la perforación. Resistencia gel: Los valores obtenidos se observa que el lodo densificado con barita obtuvo mayor valor que el densificado con carbonato de calcio y esto debido a la cantidad de solidos presente en el lodo ya que se recomeinda densificar con barita ya que posee menos cantidades de solidos presente en el lodo. Porcentaje de arena: El porcentaje de arena presente en el lodo de perforación no debe exeder del 3% por eso los lodos elaborados con barita que aportan menor cantidad de solidos al sistema arrojo como porcentaje dos coma cinco por ciento (2,5%) lo cual fue aceptable. Viscosidad plástica: el análisis echo a los lodos densificados en comparación con el lodo base presentan mayor viscosidad plástica y esto es debido a que existe mayor atracción mecánica entre las partículas. Viscosidad aparente: Como la viscosidad aparente tiene las mismas propiedades que la viscosidad plástica la presencia de más partículas solidad en el lodo densificado que en el lodo base tiende a aumentar los valores de la viscosidad aparente en el lodo densificado que en el lodo base es decir son mayores.

29

Conclusiones Practica 1-A 1. El lodo nativo por ser un lodo base agua se puede usar en formaciones someras solo hasta quinientos pies (500 pies). 2. lodo agua bentonita debido a sus beneficios como lo son la buena capacidad de acarreo, viscosidad controlada, control de filtrado, buena 30

limpieza del hoyo, bastante económico, permite mantener un buen revoque protector sobre las formaciones, no es contaminante, son de fácil y rápida preparación. 3. El lodo debe poseer un pH superior a 7 es decir que sea básico y de allí su importancia para evitar la corrosión de la sarta de perforación a la hora de perforar. 4. El lodo de perforación debe tener la menor cantidad de lo mínimo posible

de arena para evitar daños a los equipos de perforación. La arena es completamente abrasiva y causa daño considerable a las camisas de las bombas de lodo. 5. la concentración de arcilla es alta provocara un aumento incontrolado en las propiedades reologicas como lo son viscosidad, densidad, punto cedente, fuerza gel entre otros; pero si la concentración de arcilla es baja también bajaran las propiedades reologicas. Practica 1-B 1. El control de la densidad juega un papel importante en el proceso de perforación de un pozo. La densidad de un lodo debe ser suficiente para contener los fluidos que originalmente tienen las formaciones. 2. La hematita es un densificante fácil de adquirir por su bajo costo en

comparación a la bentonita y este es un buen veneficio. 3. La arena contribuye al desgaste de las tuberías y del equipo, causa daño en las formaciones productivas y tiene mucha influencia en el costo general del pozo.

Recomendaciones

31



La densidad de un lodo no debe ser demasiada alta porque tiende a fracturar las paredes de la formación ocasionando pega de tuberías, atascamiento de la mecha de perforación hasta se puede reperforar.



Trabajar sin sobre balance puede afectar el proceso de perforación, debido a que los fluidos de formación están sometidos a presiones muy altas y si no es controlada la presión esto puede ocasionar una arremetida que si no es controlada a tiempo puede volverse en reventón.



Si se llegara a utilizar la bentonita como densificante se debe tener el claro que es un viscosificante y su característica principal es darle viscosidad al lodo, si se llega a utilizar como densificante al poseer partículas sólidas, habría que añadirle mucho para llegar a la densidad deseada, y esto ocasionara viscosidades muy altas.



se aumenta la densidad del fluido de perforación para equilibrar las presiones y mantener la estabilidad de las presiones cuando se está en formaciones más profundas.

32

APÉNDICE – A a) Graficas 30

Viscosidad aparente

25 20 15 10 5 0 0

2

4

6

8

10

& peso de bentonita

Grafica Nº 1. Viscosidad Aparente vs % en peso de Bentonita. El Valor obtenido a una viscosidad aparente de 15 s, arroja un valor de % en peso de arcilla de 7,7%. 30

Viscosidad Aparente

25 20 15 10 5 0 8.45

8.5

8.55

8.6

8.65

8.7

8.75

8.8

8.85

Densidad del lodo

Gráfica Nº 2. Viscosidad Plástica vs. % Densida

33

21.5 21 20.5 20 19.5

Viscosidad Aparente vs. Densidad los densificante

19 18.5 18 17.5 17 9.4

9.41

9.42

9.43

9.44

9.45

9.46

Gráfica Nº 3. Viscosidad Aparente vs. Densidad los densificante 13.5 13 12.5 12

Visc. Plastica Vs % Densificante

11.5 11 10.5 0

5

10

15

Gráfica Nº 4. Viscosidad Plástica vs. % Densificante

34

APENDICE – B b) Figuras

Figura n°1 Balanza simple con bentonita a usar

Figura n°3 Agitador electrónico mezclando el lodo

Figura n° 2 Balanza Analítica

Figura n°4 Balanza de lodo

35

Figura n°5 Viscosímetro Fann

Figura n°6 pHmetro

Figura n°6 Porcentaje de agua y sólidos. Retorta

Figura n°7 kit de arena

36

APÉNDICE – C c) variables a utilizar

Wf = Peso del lodo final (lbs) Vf = Volumen del lodo final (Bbl) ρf = Densidad del lodo final (lpg) Wbentonita = Peso de la bentonita (lbs) Vbentonita = Volumen de la bentonita (Bbl) ρbentonita = Densidad de la bentonita (lpg) Ww = Peso del agua (lbs) Vw = Volumen de agua (Bbl) ρw = Densidad. Del agua (lpg) d) Ecuaciones a utilizar

Sustituyendo:

Luego nos queda que:

Definiendo a X como al % en Peso de la Arcilla, se puede relacionar así:

37

Reagrupando términos se tiene:

* ( )

(

)+

Peso de la Bentonita (

( ) )

Peso del lodo

Densidad de la Bentonita

Densidad del Densificante

38

Apéndice – D Muestra de cálculos practica 1 - A X=3,5% VL= 6 Barriles Ecuación número 1 Ecuación número 2

Ecuación número 3 Sabiendo el valor de x

Se necesita conocer el valor de la densidad de la bentonita

Se procede a despejar el valor de Vbent de la ecuación número 3

39

Ecuación número 4 Se sustituye la ecuación 4 en las ecuaciones 1 y 2 Ecuación número 5 Ecuación número 6 Para conocer el valor de volumen de agua

Teniendo el valor de volumen de agua se puede conocer el valor de volumen de bentonita sustituyendo en 4

Para conocer el valor de la densidad del lodo se sustituyen todos los demás valores en la ecuación 6

40

Muestra de cálculos Practica 1 – B

Ecuación Ecuación número número 11 Ecuación número 2

Ecuación número 3 (

)

(

)

Sabiendo el valor de x 7%

(

)

(

)

Se necesita conocer el valor de la densidad de la bentonita

Se procede a despejar el valor de Vbent de la ecuación número 3

41

(

)

(

)

(

)

(

) )

[(

(

(

)]

(

)

)

Ecuación número 4

Se sustituye la ecuación 4 en las ecuaciones 1 y 2 (

) (

( )

)

Ecuación número 5

Ecuación número 6

Para conocer el valor de volumen de agua

Teniendo el valor de volumen de agua se puede conocer el valor de volumen de bentonita sustituyendo en 4

42

Vbentonita = 3,9897 gal Vbentonita = 33,2478 cc

Para conocer el valor de peso de bentonita a utilizar Wbentonita=ρben*Vbentonita Wbentonita= 19,16 lbs/gal * 3.9897 gal Wbentonita=76,4427 lbs Wbentonita=76,4427 grs

Para conocer el valor de la densidad del lodo se sustituyen todos los demás valores en la ecuación 6

(

)

(

)

ρ

Ahora se debe densificar 1 barril de este lodo ρ ρ 43

(

)

(

)

ρ

Se le suma el sobrebalance

Se trabajara con 1 barril del lodo ya hecho y hallar con el sobrebalance la cantidad de barita (densificante) que se le debe añadir al lodo

Ecuación número 1

Ecuación número 2

Se despeja el volumen de barita de la Ec. I y se introduce en la II (

(

)

)

(

)

Se despeja el volumen final 44

(

) )

(

(

)

(

)

Calculamos el peso de la Barita

(

)

45