04 quimica de las arcillas
Post on 28-Dec-2015
78 Views
Preview:
TRANSCRIPT
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
Química de las Arcillas
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
Química de las Arcillas
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
Química de las Arcillas
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
Química de las Arcillas
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
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
2. Estructura de las arcillas
Las arcillas están compuestas de alúmina y de sílica
Química de las Arcillas
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.
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
2. Estructura de las arcillas
Los tetraedros de Sílica están unidos por una estructura hexagonal hasta formar una especie de hoja.
Química de las Arcillas
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.
Química de las Arcillas
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.
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
3. Clasificación de las arcillas
Las arcillas principales son:
• Kaolinitas
• Ilitas
• Cloritas
• Smectitas (Montmorrillonita o Bentonita)
• Atapulgita y Sepiolita
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
3. Clasificación de las arcillas
• Kaolinitas
Química de las Arcillas
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.
Química de las Arcillas
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
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
3. Clasificación de las arcillas
• Ilitas
Química de las Arcillas
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.
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
3. Clasificación de las arcillas
• Ilitas
La Ilita tiene una capacidad de intercambio catiónico de 10 a 40meq /100 gr
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
3. Clasificación de las arcillas
• Cloritas
Química de las Arcillas
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
Química de las Arcillas
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.
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
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.
Química de las Arcillas
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.
Química de las Arcillas
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.
Química de las Arcillas
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
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
3. Clasificación de las arcillas
• Smectitas (montmorrillonitas)
Química de las Arcillas
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.
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
3. Clasificación de las arcillas
• Atapulgita y Sepiolita
Química de las Arcillas
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.
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
4. Propiedades de las arcillas
1. Tamaño de la partícula
2. Capacidad de intercambio catiónico
3. Interacción de arcillas
Química de las Arcillas
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
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
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
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
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
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
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)
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
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
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
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.
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
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
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
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
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
4. Propiedades de las arcillas
2. Intercambio Catiónico
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
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
Química de las Arcillas
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.
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
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.
Química de las Arcillas
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.
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
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.
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
4. Propiedades de las arcillas
2. Intercambio Catiónico
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
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
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
4. Propiedades de las arcillas
3. Interacción de arcillas
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
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.
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
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.
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
4. Propiedades de las arcillas
3. Interacción de arcillas
Con agitación, los paquetes hinchados se desintegran en láminas individuales o en paquetes más pequeños
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
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.
Química de las Arcillas
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.
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
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.
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
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.
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
5. Bentonita
Elevación de la calidad
Química de las Arcillas
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
Química de las Arcillas
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
Química de las Arcillas
Fluidos de Perforación
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.
Química de las Arcillas
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.
Química de las Arcillas
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).
Química de las Arcillas
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)
Química de las Arcillas
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.
Química de las Arcillas
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.
Química de las Arcillas
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.
Química de las Arcillas
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.
top related