Curso Básico de Fluidos de Perforación

• dia 1• introducción• composición básica de los fluidos de

perforación• propiedades

• dia 2• clasificación de los fluidos• lodos base agua• lodos base aceite

• dia 3• lodos base aceite• equipo de control de sólidos• cierre

Agenda

• conocimiento de los fluidos de perforación y sus propiedades físicas y químicas

• correlación con los servicios que presta la división de Sólidos de Tuboscope Brandt

• productos especiales

Introducción

• asistencia en la solución de problemas comunes relacionados con las actividades de campo

• discusión de los fluidos de perforación usados en Colombia

Introducción

• evaluación de lo discutido en el curso

• certificación

• CD rom con la información presentada

Introducción

expectativas .......

Milford Sound

el fluido de perforación es una mezcla de líquidos (agua y/o aceite), sólidos disueltos y sólidos en suspensión que tiene propiedades físicas y químicas tendientes a favorecer la perforación, protegiendo las formaciones que se atraviezan

Composición

• la fase líquida puede estar constituida por agua, aceite diesel, aceite mineral no tóxico, aceites sintéticos

• la fase sólida se compone de materiales viscosificantes naturales ó artificiales (polímeros), densificantes, sales y sólidos perforados y adiciones especiales

• aire y espuma son usados para algunas operaciones en los pozos

Composición

Funciones

• llevar los cortes del fondo a superficie

• sostener las paredes del pozo

• controlar las presiones naturales en las formaciones perforadas

• enfriar y lubricar la broca y la sarta de perforación

• ayudar a soportar la sarta de perforación (boyancia)

Funciones

• mantener el pozo limpio de cortes

• suspender los cortes cuando se para la circulación

• permitir obtener información de las formaciones

• transmitir potencia hidraúlica a la broca

• permitir la fácil remoción de los cortes en superficie

preguntas ?

Mateo

Propiedades

• densidad

• sólidos

• reología

• filtración

• alcalinidad

• salinidad

Densidad

• la densidad del fluido de perforación es el peso del fluido por unidad de volumen

• la densidad es expresada en libras/galon ó en kilogramos / metro cúbico

• la densidad del agua fresca es 1000 kgr/m3 equivalente a 8.33 lb/gal

• los fluidos de perforación se clásifican en densos ó no densos a partir de 9.5 lb/gal

Densidad

materiales usados para incrementar la densidad

producto rango máx*

carbonato de calcio 12 lb/gal

barita 21 lb/gal

galena 32 lb/gal

hematita 27 lb/gal

siderita 18 lb/gal

* rango máximo recomendado

Sólidos

uno de los mayores problemas en los fluidos de perforación es el control de los sólidos producidos durante la operación, que se van incorporando al fluido a medida que son recirculados, reduciendo su tamaño y de esta manera dificultando su descarga del sistema

Sólidos

• su presencia produce:

– daño al equipo de perforación (bombas, tubulares)

– disminución de la rata de penetración (ROP)

– incrementos indeseables en otras propiedades del fluido

– incremento en los costos de operación

– puede causar pega de la tuberia y pérdida del pozo

Sólidos

• su determinación se hace por evaporación de la fracción líquida y se mide en porcentaje

• se utiliza la retorta para su evaluación y el máximo porcentaje de solidos perforados no debe superar 8% del volumen total del fluido, siendo 4% un valor óptimo

Sólidos

• en la actualidad se cuenta con diferentes equipos de control de sólidos para su remoción mecánica del sistema

• su utilización reduce costos por la disminución del volumen total de fluido requerido para perforar

Sólidos

los sólidos se clasifican de acuerdo con su gravedad específica en:

• de alta gravedad (HGS) 4.2 S.G.

• de gravedad media 2.9 – 4.2 S.G

• de baja gravedad (LGS) 1.6 – 2.9 S.G.

Sólidos

gravedad específica de algunos materiales:

• barita 4.0 – 4.5

• arena 2.6 – 2.7

• bentonita 2.3 – 2.7

• diesel 0.85

• caliza 2.7 – 2.9

• galena 6.5

• agua 1.0

Sólidos

clasificación API de los sólidos perforados de acuerdo con el tamaño de la partícula

• grueso mayor de 2,000 micrones

• intermedio entre 250 y 2,000 micrones

• medio entre 74 y 250 micrones

• fino entre 44 y 74 micrones

• ultra-fino entre 2 y 44 micrones

• coloidal menor de 2 micrones

un micrón es igual a una milésima de milimetro

Sólidos

Sólidos

Preguntas ?

Waikata river

Reología

• reología es el estudio del flujo de los fluidos y su comportamiento cuando se encuentran en movimiento

• en general los fluidos se clasifican de acuerdo con la respuesta que muestran cuando son agitados (shear stress) a diferentes velocidades de agitación (shear rate)

• los fluidos de perforación se comportan como fluidos no newtonianos

Reología

Reología

• de los fluidos no newtonianos, el comportamiento de los lodos obedece, en general, al comportamiento estudiado por Bingham

• el lodo requiere de una fuerza inicial de agitación para comenzar a moverse

• en términos prácticos, la fuerza inicial se conoce como punto de cedencia (yield point) y la pendiente del comportamiento del fluido se conoce como viscosidad plástica

Reología

Viscosidad Plástica

viscosidad plástica es la resistencia que ofrece un fluido a fluir una vez se encuentra en movimiento y es causada por la interacción de la fasé fluida ó líquida con las partículas presentes, sólidas y líquidas de diferente densidad al fluido base

Viscosidad Plástica

el material de mayor uso para mejorar la viscosidad a un lodo es la bentonita; este mineral tiene la capacidad de aumentar su tamaño al hidratarse hasta en 20 veces

Viscosidad Plástica

Punto de Cedencia

el punto de cedencia es la resistencia de un fluido a mantenerse en movimiento y es causado por las fuerzas electroquímicas de las particulas componentes del fluido

Punto de Cedencia

sales y productos químicos presentes en el fluido pueden incrementar ó reducir el punto cedente

el punto de cedencia permite valorar la capacidad de un fluido para soportar y arrastrar a superficie los cortes generados durante la perforación

PV & YP

Fuerzas de Gel

las fuerzas de gel son el producto de la resistencia de un fluido a ponerse en movimiento y es causado por las fuerzas electroquímicas de las particulas componentes del fluido

Fuerzas de Gel

sales y productos químicos presentes en el fluido pueden incrementar ó reducir las fuerzas de gel

las fuerzas de gel permiten valorar la capacidad de un fluido para soportar los cortes generados durante la perforación cuando el flujo se interrumpe

Fuerzas de Gel

Filtración

los fluidos de perforación, al entrar en contacto con formaciones permeables permiten la salida de parte de su fase líquida, generando en la pared del pozo un revoque o torta (cake) lo cual hace que la filtración del fluido se haga menor con el tiempo de exposición

Filtración

es importante controlar la filtración porque se evita el daño de las formaciones permeables productoras

la formación de revoque permite el aislamiento de las zonas permeables y su calidad ayuda a mejorar la calidad operacional del hueco

Filtración

Filtración

preguntas ?

Lake Pukaki – Mount Cook

Alcalinidad

pH indica la concentración de iones hidrógeno en una disolución; es una medida de la acidez y el término (del francés pouvoir hydrogène, “poder del hidrógeno”) se define como el logaritmo de la concentración de iones hidrógeno, H+, cambiado de signo:

pH = -log [H+]

donde [H+] es la concentración de iones hidrógeno en moles por litro

Alcalinidad

debido a que los iones H+ se asocian con las moléculas de agua para formar iones hidronio, H3O+, el pH también se expresa a menudo en términos de concentración de iones hidronio

en agua pura a 25 °C de temperatura, existen cantidades iguales de iones H3O+ y de iones hidróxilo (OH-); la concentración de cada uno es 10-7 moles/litro, por lo tanto, el pH del agua pura es -log (10-7), que equivale a 7

Alcalinidad

los fluidos de perforación son preparados utilizando productos alcalinos (básicos) para mejorar la eficiencia de otros productos usados; se usan, en bajas concentraciones:

soda caústica (NaOH)

potasa caústica (KOH)

soda ash (Na2CO3)

cal (Ca(OH)2) y cemento

Alcalinidad

la presencia de hidróxilos (OH-) en el fluido de perforación permite mantenerlo libre de bacterias y ayuda a evitar la corrosion por su efecto secuestrante sobre el oxígeno del aire

en general, la alcalinidad del lodo se expresa como pH y su rango oscila entre 8.0 y 9.5

Normalidad

la normalidad, N, de una solución es el número de pesos equivalentes de un químico (soluto) por litro de solución; el peso equivalente de una base ó un ácido dependen de la reacción ocurrente

en la mayoria de las reacciones en los lodos, un peso equivalente (1) es igual al peso molecular del químico dividido por las cargas (+ ó -) provistas en la reacción

Normalidad

ejemplo: cual es el peso equivalente del ácido sulfúrico (H2SO4)

H2SO4 = 2 hidrógenos + 1 azufre + 4 oxígenos

Peso Mol = 2 x 1 + 1 x 32 + 4 x 16 = 98

ya que el ácido provee 2 H+, un peso equivalente de H2SO4 es igual a:

98 / 2 = 49 gramos de H2SO4

Una solución 0.1N de H2SO4 tendrá 4.9 gr de ácido y suficiente agua para completar un litro

Salinidad

los lodos son preparados usando algunas sales comunes para inhibir la hidratación de las arcillas presentes en las formaciones perforadas

esta inhibición evita que el tamaño de las arcillas se incremente con el contacto del agua presente en el fluido de perforación

Salinidad

la hidratación de las arcillas puede provocar la inestabilidad del hueco, produciendo derrumbes y por consiguiente cavernas, para el caso de formaciones arcillosas

en formaciones productoras la inhibición de las arcillas previene la pérdida de los espaciós porosos y la reducción de la permeabilidad, evitando pérdida de producción

Salinidad

sales usadas:

sal (NaCl)

cloruro de potasio (KCl)

cloruro de calcio (CaCl2)

sales de amonio

sales de nitrato

Salinidad

la determinación de la salinidad a utilizar en un fluido de perforación se hace por medio de pruebas de laboratorio en las que cortes de la formación son sometidos a rolado, inmersos en fluidos de diferentes salinidades para evaluar el estado final de los cortes, su pérdida de peso ó su hidratación

Salinidad

aging cell

roller oven

Salinidad

Preguntas ?

Determinación de las Propiedades

Densidad

la densidad del fluido se mide con la balanza de lodos, en lb/gal

se refiere para su calibración la densidad del agua fresca 8.337 lb/gal

Sólidos

la retorta es el aparato usado para determinar el contenido total de sólidos

siendo una prueba de evaporación, agua destilada debe resultar en 100% de recobro

Sólidos

el contenido de arena es medido con una malla 200 que retiene las partículas de tamaño mayor a 74 micrones y su valor en % vol no puede ser mayor de 1% ya que eroda las bombas y los tubulares

Reología

las propiedades reológicas de los fluidos se miden usando el viscosímetro, que permite obtener las resistencias al movimiento de una manera directa

1 cp = 0.01 Poise

1 Poise = 1 dina-seg / cm2

lecturas de agua fresca deben ser cero

Reología

los viscosímetros están diseñados para dar lecturas a 3, 6, 100, 200, 300 y 600 rpm

viscosidad plástica

(PV) = R600 – R300

expresada en centipoises

Reología

punto de cedencia (YP) = R300 – PV

gel 10 segundos (GS 10 sec) = R3 a 10 seg

gel 10 minutos (GS 10 min) = R3 a 10 min

expresados en lb / 100 ft2

Reología

otra manera cualitativa de determinar la viscosidad es mediante el uso del embudo de Marsh donde un cuarto de galón (946 cc) de fluido es pasado a través del embudo y el tiempo medido, expresando la viscosidad en segundos Marsh

agua fresca = 26 seg Marsh

Filtración

en lodos base agua se utiliza un filtro prensa API de 7.1 pulg2 de área en cuya cámara se coloca el fluido y se presiona a 100 psi durante 30 minutos, colectando el filtrado en probeta graduada

papel filtro de 2.7 µm

se reportan cc de filtrado

Filtración

en lodos base aceite se utiliza un filtro prensa de 3.55 pulg2 de área en cuya cámara se coloca el fluido, se calienta a la temperatura deseada (API=300 F) y se presiona a 500 psi durante 30 minutos, colectando el filtrado en probeta graduada

papel filtro de 2.7 µm

se reportan cc de filtrado x 2

Alcalinidad

• el pH de una disolución puede medirse mediante una valoración, que consiste en la neutralización del ácido (o base) con una cantidad determinada de base (o ácido) de concentración conocida, en presencia de un indicador (un compuesto cuyo color varía con el pH)

• también se puede determinar midiendo el potencial eléctrico que se origina en ciertos electrodos especiales sumergidos en la disolución

Alcalinidad

el pH meter es el aparato de mayor uso en lodos para determinar el grado de acidez ó alcalinidad de la fase líquida

se reporta el valor leido

el electrodo se debe mantener humedo

Alcalinidad

Salinidad

• la determinación de la salinidad en los fluidos de perforación es realizada mediante pruebas de titulación colorimétrica, adicionando al fluido un reactivo, gota a gota, hasta obtener un cambio significativo en el color

• una vez obtenido el cambio de color, se para la adición de reactivo y el volumen usado permite efectuar los cálculos

Salinidad

en fluidos base agua, se utiliza el filtrado del lodo para hacer las titulaciones; en algunas ocasiones habrá necesidad de “aclarar” el filtrado para poder ver las variaciones de color y habrán ocasiones en que se debera diluir con agua destilada para que la concentración del elemento a determinar esté en el rango de prueba

Salinidad

en fluidos base aceite se utiliza el lodo para hacer las titulaciones; la fase acuosa es separada de la emulsión con la utilización de alcoholes especiales (IPA, Xileno, Arcosolv n) y la titulación se efectua sobre esta mezcla, aumentando la facilidad de lectura del color

Salinidad

Uso del Equipo de Pruebas

Uso del Equipo de Pruebas

• todos los equipos deben ser usados siguiendo las recomendaciones del fabricante

• es importante que se haga limpieza cuidadosa al equipo despues de cada uso

• las retortas no pueden ser ajustadas porque se puede dañar el instrumental electrónico interno y quemar sus componentes, el equipo ha sido calibrado en fabrica para que caliente hasta 500oC +/- 20oC (930oF +/- 70oF)

Preguntas ?

Robertson Island