INSTITUTO POLITÉNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA

CIENCIAS DE LA TIERRA

UNIDAD TICOMÁN

LABORATORIO DE FLUIDOS DE CONTROL

INTEGRANTES:

APARICIO LAREDO TANIA GUADALUPE

CORTÉS ORTIZ CÉSAR

DOMÍNGUEZ NAVA MARIO

GARCÍA JUÁREZ LUIS DAVID

REYNA RAYAS IRVING

PROFESORA. HERNÁNDEZ ÁLVAREZ ROSA DE JESÚS

EQUIPO: BENTONITOS

PRACTICA 2: DETERMINACIÓN DE LA CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATIÓNICO (CIC)

Practica No. 2 Determinación de la Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC)

Objetivo: Evaluar la CIC de arcillas bentoníticas mediante la prueba de azul de metileno y determinar si esa arcilla puede ser empleada en la elaboración de Lodos de Perforación de acuerdo a la NMX-L-144-SCFI-2003.

Antecedentes

Capacidad de Intercambio Catiónico (CIC)

Resulta útil observar que el término CIC se refiere a la capacidad del suelo para intercambiar cationes, no simplemente a su capacidad para cationes intercambiables. El término se usa a menudo pensando que es equivalente a capacidad de cationes (con el corolario de que tal capacidad es igual y opuesta a alguna carga negativa fija en las partículas). La CIC tiene la virtud de que describe una idea más bien abstracta (la densidad de carga negativa de un suelo) describiendo su efecto sobre una propiedad de interés, en términos de capacidad de retención de nutrientes.

Los suelos contienen cantidades variables y clases diferentes de arcilla y materia orgánica, de modo que la CIC total varía ampliamente. La materia orgánica tiene una CIC alta, por lo que los suelos con un alto contenido de materia orgánica presentan por lo general una CIC mayor que la de los suelos con un bajo contenido de materia orgánica.

Gracias a su estructura química, las partículas de arcilla y la materia orgánica del suelo tienen carga negativa neta. Esto significa que los cationes (iones con carga eléctrica positiva) son atraídos y retenidos sobre la superficie de estos materiales del suelo. Los cationes de la solución del suelo están en equilibrio dinámico con los cationes absorbidos sobre la superficie de la arcilla y la materia orgánica.

Arcilla

La palabra arcilla proviene del latín “argilla” y ésta del griego “argos” o “argilos” (=blanco), por el color del material usado en cerámica.

El término arcilla, que se considera y define de muchas, es variable y difícil de precisar. En Edafología y sedimentología frecuentemente se usa como un tamaño (>2µ) que identifica un material heterogéneo, compuesto de minerales propios de la arcilla y otras substancias, incluyendo fragmentos de roca, óxidos hidratado, geles y substancias orgánicas. Petrográficamente se llama arcilla a una gran cantidad de materiales sedimentarios, de granulometría fina y mineralógicamente poco definidos. Químicamente por arcilla se designa una serie de substancias que con frecuencia se identifican con el

caolín y son de composición muy variable, incluyendo Si, Al, Fe, elementos alcalinos y alcalinotérreos. Arcilla designa también un producto de meteorización.

Desde el punto de vista de su origen, la arcilla no tiene significado genético unitario ya que puede ser depósito sedimentario, un producto de meteorización, un producto hidrotermal o ser el resultado de una síntesis.

La imprecisión del término arcilla radica en que conceptualmente es diferente para el ceramista, el geólogo, el edafólogo o el fabricante de ladrillos.

Por mineral de arcilla se comprende esencialmente “a los alumino-silicatos hidratados cristalinos, algunos con sustitución parcial o total del aluminio por magnesio o hierro y que incluyen como constituyentes, en ciertos casos, elementos alcalinos o alcalinotérreos”. Estas partículas son de tamaño muy fino y se clasifican en grupos definidos según su estructura, por ejemplo, en minerales 2:1 (pirofilita, talco, esmécticas, vermiculita y micas) y 1:1 (caolinita, serpentina). El grupo de los aluminosilicatos amorfos y paracristalinos, con sus representantes principales alófana e imogolita, pese a su estructura poco definida, se incluye dentro de los minerales de arcilla.

Arcilla Bentonítica o Bentonita

Se conoce con el nombre de bentonita o arcilla Bentonítica, a aquellos silicatos alúmicos hidratados, de aspecto terroso-coloidal, con alta capacidad de absorción, compuestos por una mezcla de minerales del grupo de las esmécticas, tales como, montmorillonita (13 – 17.9%) y nontronita (37.2 – 48.2%). Dentro del grupo de la montmorillonita se encuentra la beidelita, la propia montmorillonita, la nontronita, etc.

La propiedad más notable de la bentonita es su gran capacidad de hinchamiento en presencia de agua, y perderla gradualmente al calentarse. Esta gran capacidad de absorción hace posible la extracción de impurezas en suspensión, y el empleo del mineral como decolorante, etc., lo que determina su importancia industrial. Otra propiedad muy importante consiste en su gran capacidad de intercambio catiónico.

Azul de Metileno

Es un compuesto químico aromático heterocíclico con fórmula molecular: C16H18ClN3S. A temperatura ambiente aparece como polvo sólido, inodoro, de color verde oscuro.

El azul de metileno es un tinte catatónico que se absorbe mediante partículas de arcilla con carga negativa en el mismo extremo de la distribución del tamaño de las partículas. El nivel de absorción del tinte en muestras con el pH ajustado indica normalmente una relación directa y determinadas propiedades fundamentales de la arcilla como el

intercambio de cationes, la solidez del pegado en seco, el tiempo de colada a desmolde y otras importantes propiedades físicas.

El azul de metileno (un colorante catiónico), reacciona con aniones orgánicos para formar sales hidrofóbicas de color azul intenso, que pueden extraerse fácilmente con un solvente orgánico y cuantificarse posteriormente por fotometría.

NMX-L-144-SCFI-2003

Esta Norma Mexicana establece la metodología de evaluación y las especificaciones que debe cumplir la bentonita empleada en los fluidos de perforación, terminación y mantenimiento de pozos petroleros (estos últimos conocidos también como fluidos de control).

Esta Norma Mexicana tiene aplicación en los productos y sistemas de los fluidos de control utilizados durante la perforación, terminación y mantenimiento de pozos en las diferentes regiones petroleras de la República Mexicana.

ESPECIFICACIÓN NMX-144-SCFI-2003HUMEDAD (%) 10 MÁXIMO

VISCOSIDAD APARENTE (MPAS) 15 MÍNIMOPUNTO DE CEDENCIA (PA) 6.7 MÍNIMO

RELACIÓN PUNTO DE CEDENCIA/VISCOSIDAD

PLÁSTICA (PC/VP)

3.0 MÁXIMO

FILTRADO (ML) 14 MÁXIMOREDUCCIÓN DE VISCOSIDAD

APARENTE (MPAS)3.0 MÁXIMO

RETENIDO EN MALLA 200 (%) 3.0 MÁXIMOCAPACIDAD DE INTECAMBIO CATINIONICO (MEQ/10 GRS)

60.00

Metodología

Material y Equipo a emplear

Material Equipo0.5 ± 0.01 gr de Arcilla 1 Soporte Universal25 ml de Pirofosfato Tetrasódico 1 Pinzas Fisher50 ml de agua destilada 1 Parrilla de agitación y calentamiento1 ml de Ácido Nítrico (HNO3) 1 Matraz Erlenmeyer

Papel filtro 1 EspátulaAzul de metileno 1 Agitador magnéticoGuantes de Látex 1 Probeta

1 Bureta1 Varilla de vidrio1 Balanza Analítica1 Franela

Procedimiento

a)1. Pesar 0.5 0.5 ± 0.01 gr de Arcilla.

2. Agregar la arcilla a un Matraz Erlenmeyer.

3. Introducir un Agitador Magnético.

4. Agregar 25 ml de Pirofosfato Tetrasódico.

5. Colocar el Matraz sobre la Parrilla de Agitación y Calentamiento.

6. Calentar y agitar durante 10 min.

7. Agregar 1 ml de HNO3.

8. Quitar el Matraz de la Parrilla, sin dejar que nuestra muestra se evapore.

9. Enfriar la Parrilla con ayuda de una franela.

10. Una vez enfriada la Parrilla, colocamos de nuevo el Matraz pero esta vez

solo agitamos la muestra durante 10 min.

11. Agregamos 50 ml de Agua Destilada.

b)1. Colocamos la Parrilla con el Matraz sobre el Soporte Universal.

2. Llenamos la bureta con 50 ml de Azul de metileno.

3. Colocamos la bureta en el Soporte Universal con ayuda de unas Pinzas

Fisher, tratando de que quede lo mejor centrada posible a la boca del

Matraz.

4. Agitamos la muestra.

5. Y agregamos Azul de Metileno en incrementos de 1 ml.

6. Con ayuda de una Varilla de Vidrio sacaremos una gota y la colocaremos

sobre el Papel Filtro.

7. Realizaremos este último paso las veces que sea necesario, hasta obtener

un aureola de color azul.

8. Cuando hayamos obtenido una aureola azul, dejamos agitando 2 min la

muestra y volvemos a colocar una gota sobre el Papel Filtro.

9. Si se evidencia de nuevo la aureola de color azul, entonces habremos

concluido la Titulación.

Resultados

Equipo Tipo de Arcilla

Muestra de arcilla (gr)

A.M. gastado (ml)

CIC (meq/100

gr)Observaciones

¿Cumple con la

NMX-L-144-SCFI-

2003?

AnguilasArcilla cálcica

modificada0.522 4.8 9.19

La arcilla cálcica es

hidrofóbica por lo tanto

presenta menor CIC.

No cumple

para lodos

base agua (esta

arcilla es utilizada en lodos

base aceite).

Sureste

Bentonita Sódica

Oxidada (12%)

0.5055 20.5 40.50

La Bentonita Sódica

Oxidada es hidrofilica, por

lo tanto presenta

mayor CIC.

No cumple, <60 de

acuerdo a la norma.

Bentonitos Bentonita Sódica

Oxidada

0.5170 31.5 60.92 La arcilla esmectita

debido a que

Cumple con la

norma, ya

es hidrofilica, presenta una

CIC significativa.

que el límite

máximo es 68.

Pedernales

Bentonita Cálcica

0.5090 37.5 61.88

Observaciones y Análisis de resultados

Analizando cada uno de los resultados obtenidos en cada prueba, podemos diferenciar claramente la CIC de la arcilla cálcica y la arcilla sódica, ya que son hidrofobica e hidrofilica respectivamente. La cantidad de arcilla utilizada fue en teoría la misma para cada equipo, ya que existen pequeñas variaciones que pudieron afectar al momento de titular cada muestra con Azul de Metileno, sin embargo la adsorción de este tiene una variación considerable en cada muestra.

El Ácido Nítrico utilizado provoco que la arcilla se purificara de todo el contenido orgánico para obtener un mejor resultado al momento de titular.

Una vez teniendo la cantidad de arcilla y azul de metileno, utilizamos la siguiente fórmula para calcular la CIC.

CIC=Vol . Azul de MetilenoMasa de la muestra

meq100 gr

A.M. Gastado ml Masa Arcilla (gr)31.5 0.5170

Sustituyendo los datos

CIC=31 .5ml0 .5170 gr

=60 .92meqgr

Valorando el CIC obtenido en las muestras de arcilla, tanto los bentonitos como los

pedernales cumplen con el valor requerido por la norma NMX-L-144-SCFI-2003, más sin embargo, no podremos confiar en estos resultados, sin antes realizar varias pruebas de este mismo tipo a cada una de las muestras.

Conclusiones Individuales

Aparicio Laredo Tania Guadalupe

La capacidad de intercambio catiónico de nuestra muestra, a mi parecer, no se vio afectada por la evaporación del agua, de hecho resulto con una capacidad de azul de metileno bastante alta, lo cual logro que entrara dentro de las especificaciones de la norma NMX-L-144SCFI-2003, la cual establece las especificaciones que debe cumplir la bentonita empleada en los fluidos de perforación, terminación y mantenimiento de pozos. Otro aspecto que también ayudo fue, que la muestra empleada en esta prueba, es tratada, lo cual indica un menor requerimiento para el parámetro necesitado.

Cortés Ortiz César

El objetivo de la práctica fue observar y medir la CIC de diferentes tipos de arcillas, tomando como referencia la norma NMX-L-144-SCFI-2003, la cual nos indica todas las propiedades que debe cumplir una arcilla para poder ser utilizada en la producción de un lodo de perforación, en esta prueba debido a que dejamos que la muestra se evaporara, ocurrió una diferencia en el resultado de la CIC, realizando todos los cálculos correspondientes, esta arcilla cumplió con la CIC de la norma. Sin embargo, recomendaría que se realizaran varios análisis a la misma arcilla, para así poder tener una certeza de que la arcilla que estamos utilizando verdaderamente cumple con lo especificado en la norma.

Tomando en consideración los valores de los otros equipos, tenemos una diferencia significativa con respecto a la cantidad adsorbida de Azul de metileno, que al final se traduce en una menor CIC.

Domínguez Nava Mario

Esta práctica, mediante todo su desarrollo nos sirvió para identificar la capacidad de intercambio cationico de las diferentes muestras de arcillas bentoniticas , en las cuales los valores que arrojaron cada una de ellas en los cálculos de dividir el volumen de azul de metileno entre la masa de la muestra, arrojaron diferentes valores en cuanto a su capacidad de intercambio cationico, esto nos permitió darnos cuenta que hay diferentes tipos de arcilla bentonitica que cumplen y otras no con lo que especifica la norma NMX-L-144-SCFI-2003, si cumple con lo estipulado en la norma antes mencionada se puede catalogar como útil para preparar fluidos de perforación base agua de lo contrario si su capacidad de intercambio cationico de nuestra muestra de bentonita analizada no cumple con la norma, podría ser debido a varios factores ese resultado, como el hecho de que nuestra muestra de bentonita que estemos analizando, puede ser para preparar

fluidos base aceite y por ello no cumpla con esta norma, en términos practicos esta prueba es de vital importancia, pues si nuestra bentonita que estemos utilizando en nuestro lodo de perforación no cumple con lo establecido en la norma y por lo tanto las propiedades de nuestro lodo de perforación son alteradas o modificadas nuestra operación en el trabajo, en un plano real, podrían costar millones de dólares, como actualmente sucede en nuestra industria petrolera de ahí que esta prueba de laboratorio es de vital importancia para un ingeniero petrolero.

García Juárez Luis David

En esta práctica vimos la capacidad de intercambio catiónico, sobre una solución de arcilla, esta se nos evaporó por lo cual no pudimos registrar de una mejor manera los cambios, pero vimos que conforme a la muestra de arcilla que tomamos y la norma esta capacidad quedó bien para lo que dicta la norma.

Reyna Rayas Irving

De acuerdo a los resultados de la práctica y la comparación de estos, se pudo determinar que la capacidad de intercambio catiónico, es sumamente importante para la realización de un fluido, en este caso bentonitico, pues entre más capacidad de CIC exista, tendremos un mejor lodo. Los resultados obtenidos de los equipos que realizaron la práctica fueron muy distintos uno de otro. Se observó que la CIC obtenida en cada muestra, variaba con la arcilla utilizada, donde la única que paso la prueba para hacer un lodo de perforación fue, “la bentonita oxidada”.

Referencias

Condiciones del Suelo y Desarrollo de las Plantas Según Russell

Autores: E. J. Russell, Alan Wild

Mineralogía de arcillas de suelos

Autor: Eduardo Besoain

http://www.greenforceame.com/Joomla/index.php?option=com_content&view=article&id=30&Itemid=45

http://www.ecured.cu/index.php/Agromena_(Arcillas_benton%C3%ADticas)_en_la_Isla_de_la_Juventud

http://atenea.udistrital.edu.co/grupos/fluoreciencia/capitulos_fluoreciencia/calaguas_cap15.pdf

http://www.enciclopediaespana.com/Azul_de_metileno.html

http://www.sgs.mx/es-ES/Mining/Production-and-Plant-Services/Oil-Sands/Oil-Sands-Analytical-Services/Methylene-Blue-Index.aspx

http://www.buenastareas.com/ensayos/El-Azul-De-Metileno/1031354.html

http://dof.gob.mx/nota_detalle.php?codigo=689782&fecha=31/10/2003

http://www.nextbar.net/tecnica/HTE031%20BENTONITA%20WYMB.pdf

http://www.uclm.es/users/higueras/mga/Tema09/Tema_09_OtrosMin_2_2.htm