04 quimica de las arcillas

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Química de las Arcillas Fluidos de Perforación 1. Introducción 2. Estructura de las arcillas 3. Clasificación de las arcillas 4. Propiedades 5. Bentonita 6. Concepto Químico de Osmosis 7. Concepto Químico de Actividad

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Química de las Arcillas

Fluidos de Perforación

1. Introducción

2. Estructura de las arcillas

3. Clasificación de las arcillas

4. Propiedades

5. Bentonita

6. Concepto Químico de Osmosis

7. Concepto Químico de Actividad

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Fluidos de Perforación

1. Introducción

El grupo de minerales clasificados como arcillas juegan un papelpreponderante en muchas áreas de la tecnología de los fluidos deperforación

Las arcillas se definen químicamente como silicatos de aluminio

Los elementos que constituyen la arcilla están presentes en más del 80% de la masa terrestre y podemos deducir que cada etapa de la perforación de un pozo entra en contacto con arcillas

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Fluidos de Perforación

1. Introducción

La mayoría de formaciones que son perforadas son arcillas y lutitas, donde el tipo y cantidad de minerales de arcilla presentes determinan las propiedades químicas y mecánicas de la roca

La selección del fluido de perforación esta relacionado con frecuencia a las reacciones entre el fluido y la roca puesto que tiene una influencia directa con la estabilidad del hueco

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Fluidos de Perforación

1. Introducción

Muchos yacimientos de arenisca contienen algunos minerales de arcilla. Estos pueden reaccionar con los fluidos que entren en contacto con ellos y producir un bloqueo total de la formación

En conclusión las estructuras y reacciones de las arcillas son importantes en el diseño de los fluidos que pueden estar en contacto con la zona de producción

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Fluidos de Perforación

Características básicas

La característica más importante de las arcillas proviene del análisis químico que muestra que son principalmente compuestos de Sílica,Aluminio, agua y con frecuencia Hierro y Magnesio y en menores cantidades de Sodio y Potasio

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Fluidos de Perforación

2. Estructura de las arcillas

Las arcillas están compuestas de alúmina y de sílica

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Fluidos de Perforación

2. Estructura de las arcillas

La sílica es de una estructura tetraédrica con un átomo de Silicio rodeado por cuatro átomos de Oxigeno.

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Fluidos de Perforación

2. Estructura de las arcillas

Los tetraedros de Sílica están unidos por una estructura hexagonal hasta formar una especie de hoja.

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Fluidos de Perforación

2. Estructura de las arcillas

La alúmina tiene una estructura octaédrica consistente de un átomo de Aluminio y seis átomos de Oxígeno conformando un octaedro alrededor de él.

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Fluidos de Perforación

2. Estructura de las arcillas

Los octaedros de alúmina están unidos en una estructura que se repite para formar una capa.

Estas capas de alúmina y de sílica se alternan para formar los diferentes tipos de arcilla.

Las arcillas más comunes que nos interesan son las de dos capas y las tres capas.

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Fluidos de Perforación

3. Clasificación de las arcillas

Las arcillas principales son:

• Kaolinitas

• Ilitas

• Cloritas

• Smectitas (Montmorrillonita o Bentonita)

• Atapulgita y Sepiolita

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Fluidos de Perforación

3. Clasificación de las arcillas

• Kaolinitas

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Fluidos de Perforación

3. Clasificación de las arcillas

• Kaolinitas

Pertenecen al grupo de dos capas: una tetraédrica de silica y una octaédrica de alúmina.

La Kaolinita es una arcilla NO HINCHABLE cuyas capas unitarias están fuertemente ligadas mediante enlaces de hidrógeno. Esto impide la expansión de la partícula, porque el agua no es capaz de

penetrar en las capas.

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Fluidos de Perforación

3. Clasificación de las arcillas

• Kaolinitas

La Kaolinita tiene una capacidad de intercambio catiónico relativamente bajo: de 5 a 15 meq /100 gr.

La Kaolinita se encuentra comúnmente como componente menor a moderado (5% al 20%) de las rocas sedimentarias tales como las lutitas y las areniscas

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Fluidos de Perforación

3. Clasificación de las arcillas

• Ilitas

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Fluidos de Perforación

3. Clasificación de las arcillas

• Ilitas

Arcillas de TRES capas: una capa octaédrica de alúmina se encuentra como en sándwich entre DOS capas tetraédricas de sílica.

Tienen la misma estructura básica que las montmorrillonitas, pero no muestran la capacidad de hinchamiento entre capas porque el aguano las puede penetrar.

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Fluidos de Perforación

3. Clasificación de las arcillas

• Ilitas

La Ilita tiene una capacidad de intercambio catiónico de 10 a 40meq /100 gr

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Fluidos de Perforación

3. Clasificación de las arcillas

• Cloritas

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Fluidos de Perforación

3. Clasificación de las arcillas

• Cloritas

Arcilla de TRES capas separadas por una capa de Brucita. Hay unafuerte adherencia entre capas y por esta razón la Clorita es una arcilla NO HINCHABLE.

La capacidad de intercambio catiónico es de 10 a 40 meq / 100gr.

Las cloritas se encuentran frecuentemente en antiguos sedimentosmarinos enterrados a grandes profundidades

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Fluidos de Perforación

3. Clasificación de las arcillas

• Smectitas (montmorrillonitas)

Son de la familia de arcillas de TRES capas. Consiste de una capa octaédrica de alúmina entre dos capas tetraédricas de silica.

Los átomos de aluminio en la capa del centro pueden ser remplazados por átomos de magnesio o de hierro causando un desbalance de cargas.

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3. Clasificación de las arcillas

• Smectitas (montmorrillonitas)

Este desbalance es contrarrestado por una asociación con cationes positivos en la superficie de la partícula.

Estos cationes pueden ser monovalentes como el sodio por ejemplo o divalente como el calcio.

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Fluidos de Perforación

3. Clasificación de las arcillas

• Smectitas (montmorrillonitas)

El carácter del catión intercambiado influencia el grado de hinchamiento al cual la montmorrillonita se hinchará.

Los cationes divalentes, a causa de la carga extra, tienden a asociarse con partículas adyacentes y consecuentemente, restringir el hinchamiento de la arcilla.

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Fluidos de Perforación

3. Clasificación de las arcillas

• Smectitas (montmorrillonitas)

Esta es la razón por la cual la montmorrillonita de calcio es un pobre viscosificador con respecto a la montmorrillonita de sodio.

Debido a su estructura la adherencia entre las partículas son más débiles que otras arcillas permite que la montmorrillonita desarrolle una gran habilidad para hidratarse.

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Fluidos de Perforación

3. Clasificación de las arcillas

• Smectitas (montmorrillonitas)

Esta es la razón principal para que la montmorrillonita de sodio sea la arcilla más comercial.

La capacidad de intercambio catiónico de la Smectita es de 60-150 meq /100 gr

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3. Clasificación de las arcillas

• Smectitas (montmorrillonitas)

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Fluidos de Perforación

3. Clasificación de las arcillas

• Atapulgita y Sepiolita

Estas dos arcillas son usadas en situaciones especiales en las más comunes ya que tienen una forma elongada como agujas.

Aunque hay agua asociada con estas arcillas NO SE HIDRATAN.

La viscosificación se produce por agitación, la cual produce fracturamiento en las agujas a lo largo de su eje produciendo una exposición de cargas que producen una atracción entre unas y otras.

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3. Clasificación de las arcillas

• Atapulgita y Sepiolita

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Fluidos de Perforación

3. Clasificación de las arcillas

• Atapulgita y Sepiolita

Como estas arcillas dependen de la agitación son efectivas tanto en agua fresca como en agua salada.

La Sepiolita es muy estable a altas temperaturas

La Sepiolita es pobre para controlar el filtrado.

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4. Propiedades de las arcillas

1. Tamaño de la partícula

2. Capacidad de intercambio catiónico

3. Interacción de arcillas

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Fluidos de Perforación

4. Propiedades de las arcillas

1. Tamaño de la partícula

Las arcillas son de un tamaño demasiado pequeño para ser visto por medios ópticos. Requiere de microscopios electrónicos para estudiar el tamaño y las formas.

En general una capa de arcilla tiene entre 7 y 21 Ä de espesor, pero entre 1,000 y 100,000 Ä de ancho y de largo

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4. Propiedades de las arcillas

1. Tamaño de la partícula

Una malla de 325x325 procesa una partícula de 44 micrones, o sea, 440,000 Ä. Teniendo este tamaño tan pequeño y relativa área grande superficial da arcillas en capas, como la bentonita, cuando está dispersa en agua

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4. Propiedades de las arcillas

1. Tamaño de la partícula

Como también están altamente cargadas, su comportamiento es mas pronunciado en términos de interacción entre partículas arcilla-arcilla

El área superficial creada por la dispersión de arcilla es muy grande, cerca de 200 m2 /gr

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4. Propiedades de las arcillas

1. Tamaño de la partícula

El tamaño y forma de las arcillas permiten ser útiles en el proceso de viscosificación (cuando está altamente floculada) o en la construcción de una costra o revoque (cuando no está dispersada o cuando es defloculada con un adelgazante)

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4. Propiedades de las arcillas

1. Tamaño de la partícula

Las cadenas de polímeros son extremadamente largas comparadas con partículas de arcilla.

Cuando cadenas de polímeros de alto peso molecular se encadenan con multitudes de partículas de arcilla en un sistema de agua, hay un efecto combinado que crea una reología altamente viscosa perode adelgazamiento por agitación

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4. Propiedades de las arcillas

2. Intercambio Catiónico

En las arcillas activas, iones de magnesio (Mg++) pueden ser sustituidos dentro de la matriz octaédrica por iones de Aluminio(Al+++).

Esta sustitución deja a la partícula de arcilla con arreglo en la red de carga negativa la cual debe ser balanceada.

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4. Propiedades de las arcillas

2. Intercambio Catiónico

Este balanceo de cargas tiene lugar en la forma de cationes, loscuales son adsorbidos en la superficie de las placas de arcilla

Estos cationes están asociados con la arcilla y pueden ser desplazados o intercambiados por otros cationes

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4. Propiedades de las arcillas

2. Intercambio Catiónico

La cantidad de cationes disponibles para intercambiar se conoce como CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIONICO – CIC y es reportado en miliequivalentes por 100 gramos de lutita

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4. Propiedades de las arcillas

2. Intercambio Catiónico

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4. Propiedades de las arcillas

2. Intercambio Catiónico

La resistencia o habilidad de intercambio de cationes varía.

Un catión tendera a desplazar a cualquiera de los de su derecha a iguales concentraciones molares

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Fluidos de Perforación

4. Propiedades de las arcillas

2. Intercambio Catiónico

La presencia y tipo de cationes intercambiables tendrán un efecto sobre la hidratación, o capacidad de hinchamiento de una arcilla.

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4. Propiedades de las arcillas

2. Intercambio Catiónico

Arcillas altamente hidratables, como la montmorrillonita, absorberán una capa de agua en la superficie de la arcilla debido a la presencia debido a la presencia de cargas eléctricas sobre la superficie y los bordes de las arcillas.

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Fluidos de Perforación

4. Propiedades de las arcillas

2. Intercambio Catiónico

Las montmorrillonitas de sodio formaran una capa más gruesa de agua la cual tenderá a separar, a apartar las plaquetas de arcilla y hacerlas más susceptibles a la disociación.

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4. Propiedades de las arcillas

2. Intercambio Catiónico

Por otro lado las montmorrillonitas de calcio, debido a que es menos hidratable, proveerá menos viscosidad que las montmorrillonitas de sodio en iguales cantidades.

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4. Propiedades de las arcillas

2. Intercambio Catiónico

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4. Propiedades de las arcillas

3. Interacción de arcillas

Los términos usados para describir el comportamiento específico de la interacción de las arcillas con agua son:

1. Agregación

2. Dispersión

3. Floculación

4. Defloculación

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Fluidos de Perforación

4. Propiedades de las arcillas

3. Interacción de arcillas

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4. Propiedades de las arcillas

3. Interacción de arcillas

Agregación (enlace cara a cara)

La arcilla en su estado seco tiene plaquetas almacenadas en una asociación cara-a-cara, como una baraja de naipes.

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4. Propiedades de las arcillas

3. Interacción de arcillas

Dispersión

Cuando la arcilla seca es colocada en agua fresca sin agitación, los paquetes adsorben agua, se hidratan y se hinchan.

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4. Propiedades de las arcillas

3. Interacción de arcillas

Con agitación, los paquetes hinchados se desintegran en láminas individuales o en paquetes más pequeños

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4. Propiedades de las arcillas

3. Interacción de arcillas

Floculación

Si la agitación continúa, el proceso de dispersión continuará. Cuando la agitación es suspendida, plaquetas de arcilla serán mutuamente atraídas en una asociación borde-a-borde ó borde-a-cara.

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Fluidos de Perforación

4. Propiedades de las arcillas

3. Interacción de arcillas

Defloculación

Si se agrega un adelgazante químico aniónico, por ejemplo: lignosulfonato o lignito, SAAP u otros, neutralizan las cargas positivas de los bordes en las plaquetas de arcilla y se pasa del estado floculado a la defloculación.

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5. Bentonita

Bentonita Comercial

Debido a que la Smectita tiene la habilidad de hidratarse e hincharse en la presencia de agua, es muy usada para viscosificar los fluidos de perforación.

La bentonita de sodio se encuentra exclusivamente en Estados Unidos y debido a su poder de hidratación es que es muy usada encomparación con la bentonita de calcio.

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5. Bentonita

Elevación de la calidad

Es un proceso donde productos químicos son agregados a arcillas de baja calidad para mejorar su comportamiento.

Se agrega Soda Ash para la peptizacion de la bentonita (remplazar calcio por sodio) y polímeros para mejorar la reología y el control de la filtración. Todo se hace para que la arcilla cumpla con las especificaciones API de viscosidad.

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5. Bentonita

Elevación de la calidad

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Fluidos de Perforación

5. Bentonita

Las bentonitas que han sido tratadas pueden manifestar pobre desarrollo en los siguientes aspectos:

• Intolerancia de los iones de dureza (calcio, magnesio)

• Incompatibilidad con otros polímeros en un lodo

• Baja estabilidad térmica

• Vida limitada, y

• Rompimiento de la estructura de los polímeros a medida que pase por la barrena

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Fluidos de Perforación

5. Bentonita

Bentonitas API

No Tratada: es un material calidad “Premium” sin tratamiento para elevación de la calidad. Siendo arcillas Premium, asi mismo su costo es mayor; sin embargo el costo-beneficio en términos de comportamiento predecible y bajo consumo la justifican

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5. Bentonita

Para algunas operaciones de perforación Bentonita API o Grado OCMA pueden ser económicas y no crear problemas. Sin embargo, basados en los 5 puntos anteriores su comportamiento en muchos de los sistemas de lodo que corrientemente usamos puede ser impredecible e incrementar su consumo.

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Fluidos de Perforación

5. Bentonita

Bentonitas API

Bentonita API: es predominantemente bentonita de sodio. Sin embargo, algún grado de elevación de calidad es permitido bajo especificaciones para estas arcillas. La relación YP/PV (3 máximo) limita su elevación de calidad.

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Fluidos de Perforación

5. Bentonita

Bentonitas API

Grado OCMA: es predominantemente una bentonita de calcio y como tal, no cumple las especificaciones de las bentonitas descritas anteriormente. Estas bentonitas requieren niveles altos de elevación de calidad lo cual es reflejado por las relaciones altas de YP/PV (6 máximo permitido).

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Fluidos de Perforación

6. OSMOSIS

La Osmosis es un fenómeno que ocurre cuando dos soluciones con concentraciones de solutos (salinidad) muy diferentes son separados por una membrana semipermeable.

Durante la Osmosis, se produce un movimiento neto del solvente (agua) a través de la membrana, desde la solución con la concentración de soluto más baja (salinidad más baja) hacia la concentración de solutos más alta (salinidad más alta)

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Fluidos de Perforación

6. OSMOSIS

Por lo tanto, la Osmosis tiende a transferir el solvente hasta que ambas soluciones tengan una concentración de solutos (salinidad) similar.

Las fuerzas impulsoras de este proceso son la diferencia de concentración de solutos y el carácter de la membrana semipermeable.

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Fluidos de Perforación

7. ACTIVIDAD

La “Actividad” de una solución es una medida de la presión de vapor ó “Humedad Relativa”, y está relacionada con la concentración de solutos (salinidad).

El agua fresca tiene una Actividad de 1.0 y disminuye a medida que la salinidad aumenta.

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Fluidos de Perforación

7. ACTIVIDAD

Cuando se perfora en lutitas sensibles al agua, conviene que el fluido de perforación y la formación tengan una actividad similar para minimizar la transferencia de agua del fluido de perforación a la formación.

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Fluidos de Perforación

7. ACTIVIDAD

Los fluidos base aceite y base sintético tienen el potencial de transferir el agua de su fase de agua emulsionada (generalmente salmuera de cloruro de calcio) mediante Osmosis, si su actividad es más alta que la actividad de la formación.