Download - Apuntes de Lodos - Dhv - Tema 6

Semestre I, MMXIII Dyguel Alejandro Hoentsch V.

FLUIDOS DE PERFORACIÓN Ing. DENIS H. EGUEZ VERICOCHEA

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U.A.G.R.M.

INGENIERÍA PETROLERA

TEMA 6

EMULSIONES

En la vida cotidiana y en la industria nos encontramos con una serie de productos o

sub. Productos que no son otra cosa que la dispersión de una fase en otra fase en la cual

no es miscible o parcialmente miscible Así por Ej. El humo es la suspensión de

partículas sólidas (carbón) en el aire, la espuma, es la suspensión del aire en un medio

líquido, los aerosoles son líquidos dispersos en un gas, la leche, la mantequilla, etc.

donde cada uno de ellos tienen sus características propias pero existe si, una similitud

de análisis

En este capítulo veremos las mezclas de líquidos no miscibles o parcialmente miscibles para

formar un estado que se lo conoce con el nombre de EMULSIONES.

Por lo dicho anteriormente, y en nuestro caso, una emulsión es la dispersión de un líquido o

fase discontinua en otro líquido que viene a ser la fase continua. Así se conocen dos tipos de

emulsiones:

Emulsión directa si la fase dispersa o discontinua aceite (diesel) se encuentra en el seno de la

fase continua, agua, y la emulsión inversa es la cual, en que el agua viene a ser la fase

discontinua y se encuentra dispersa en el seno de una fase continua que es el aceite.

En el ámbito petrolero, particularmente las emulsiones, son utilizadas como fluidos de

perforación y es de ahí el interés de su estudio.

Cualquiera sea la emulsión obtenida, un factor muy importante, es que, una vez formada la

emulsión, esta debe ser lo bastante estable como para realizar el trabajo en condiciones de

pozo. Una emulsión se dice que es estable cuando el agua y el aceite permanecen

indefinidamente emulsionados sin llegar a separarse aun en las condiciones de presión y

temperatura que imperan en el pozo.

La emulsión se puede lograr con la mezcla del agua con el aceite y bastante agitación.

El tipo de emulsión que se forma es función de los volúmenes del diesel y del agua,

por lo general el de mayor volumen viene a conformar el medio continuo. Si el

volumen de los dos líquidos es similar, según Robinder, pueden llegar a formarse los

dos tipos de emulsiones; es decir la emulsión directa y la inversa; pero prevalece

aquella que tiene más estabilidad a la coalescencia de las gotas.

Las emulsiones así formadas por lo general tienen baja estabilidad y las fases se

separan muy pronto en cuanto cesa la agitación. Para mejorar la estabilidad de la



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emulsión se necesita del concurso de un tercer compuesto conocido con el nombre de

emulsionantes.

Estos emulsionantes; o tan bien. conocidos como surfactantes, son productos que

actúan sobre la tensión interfacial de los líquidos en contactos, disminuyendo la

energía libre de superficie de líquidos.

La capacidad del agente emulsionante para estabilizar la emulsión de uno u otro tipo, viene

dada por la estructura de la molécula tensa activa y por la energía de interacción con los

medios polares y no polares de la mezcla.

Las emulsiones así formada, dan como resultados mezcla con mayor viscosidad y tienen

mayor estabilidad frente a los electrolitos.

Los surfactantes se clasifican en catiónicos aniónicos y no iónicos Ejemplos de ellos el

cloruro de trimetil dodecil amonio; el oleato de sodio, oleato de calcio, otro es el producto

llamado a base de oxido de etileno, llamado DMS

Un jabón sodico; producto emulsionante, compuesto por un sodio llamada cabeza del

producto, y una cadena hidrocarbonada que viene a ser la cola en una interfase aceite-

agua, el grupo polar que es el sodio es totalmente soluble en el agua, se orientara hacia

la fase agua, quedando la cola organofilica o cadena hidrocarbonada del oleato

orientada hacia la otra fase de la emulsión que es el aceite.

El mecanismo del poder emulsionante que tienen estos productos se lo puede expresar

en base a las siguientes teorías:

Una teoría es: si las secciones transversales de las dos partes de la molécula de jabón

estabilizante, son tales que la del extremo polar es mayor que la del lado aceite, se

formara una emulsión de aceite en agua, es decir el agua será la fase exterior o

continua, y el aceite la fase interna o discontinua o dispersa. Este es el caso de los

jabones sodicos o sales alcalina de ácidos graso oleatos.

Si por el contrario, si la porción hidrocarbonada del jabón, tiene una sesión transversal

mayor que la del grupo polar, resultara estabilizada una emulsión inversa, es decir una

emulsión de agua en aceite. Este es el caso de los jabones polivalente que pueden tener

dos o más cadena hidrocarbonadas y una cabeza polar bivalente. Esta teoría es conocida

como la teoría de la cuña orientada.

Otra teoría mas generalizada, expresa que si la tensión entre el agua y la película de

jabón, es menor que la tensión entre el aceite y la cadena hidrocarbonada, la primera

superficie tendera a ser mayor que la otra y resultara una emulsión de aceite en agua,

por otro lado, si la tensión interfacial entre la película de jabón y el aceite es la menor,

se obtendrá una emulsión de agua en aceite es decir las diminutas gotitas de agua

quedaran contenida en el seno del aceite.



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Por otro lado, surfactantes se los puede clasificar de acuerdo al HLB, que es un balance del

grado de comportamiento del surfactante como hidrofilico o hidrfóbico, (Un HLB en número

de 10 a 12) puede formar emulsiones directas mientras que grupos no iónicos con gran grupo

lipofilico (HLB 4 a 6) forma emulsiones inversas.

VENTAJAS DE LAS EMULSIONES. Cualquiera sea el tipo de emulsiones que se tenga, se tiene

las siguientes ventajas.

- Permite bajar la densidad del lodo.

- Reduce el filtrado.

- Mayor lubricación del lodo

- Incrementa la velocidad de penetración.

- Mayor vida de trépano.

- Menores torques y arrastres de la herramienta.

- Estabiliza mejor las formaciones lutíticas.

EMULSION DIRECTA (ED) Para baja densidad

Estos lodos son muy usados para perforar formaciones de gradiente de formaciones muy

baja, zonas depletadas en las cuales un lodo aún de muy baja densidad puede causar admisión

hacia la formación. Estos lodos por lo general son lodos base agua dulce o salada. A la cual se

le agrega una sal con la finalidad inhibir la hidratación del Matriz arcilloso que puedan tener

las zonas productoras; el agregado del diesel es con el fin de mantener una densidad bastante

baja y no causar invasión del lodo hacia la formación.

En este caso la emulsión formada es directa, cuando la fase dispersa, que en nuestro

caso será el aceite o diesel, se encuentra contenida en un medio continuo o

contenedor que es el agua; de esta manera, el diesel se encuentra disperso en forma

de pequeñas gotitas individuales rodeada cada una por el agua. La emulsión se

puede formar con una simple agitación de la mezcla en caso de que la fase dispersa

sea muy poca, pero es bastante débil o inestable, pudiendo mejorarla con el

agregado de algunos polímeros. Si la cantidad de la fase dispersa es algo mayor, la

estabilidad es mejorada con el agregado de sustancia tenso activas que tienen un

grupo polar fuertemente hidratado soluble en el agua y el grupo hidrófobo soluble

en aceite

Por ser el medio continuo el agua (polar), esta emulsión conduce la corriente eléctrica

y tiene propiedades similares a las acuosas.

Porque se forma la emulsión: Una emulsión se forma por el concurso de dos líquidos

que son inmiscibles, donde una de ellas es la fase continua y la otra es la fase dispersa



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y además de un tercer compuesto conocido con el nombre de emulsificante con el fin

de darle mayor estabilidad a la emulsión formada..

En el caso de una emulsión directo ED, es decir aceite emulsionado en el agua y cuya

área de la fase dispersa sea muy grande, que pueda tener una gran área de interfase

aceite- agua, se puede estabilizar siempre que la tensión interfacial sea muy

pequeña, a medida que crece la tensión interfacial, las gotas de aceite pueden

reagruparse, y se separan.

La tensión interfacial entre agua y otro líquido insoluble en ella, por lo general es

grande; con el agregado de un emulsificante específico podremos disminuir esta

tensión y lograr una emulsión. Estos agentes emulsificantes tienen propiedades

parecidas a los soles liófilos, y pueden estar compuestos por sales sódicas de los

ácidos grasos (jabones comunes), los cuales se adsorben en la interfase aceite agua

reduciendo la tensión interfacial.

La cadena larga hidrocarbonada de la molécula, se orientará hacia la fase aceite;

quedando absorbida, la otra parte polar del jabón se orientara hacia la fase agua. En

los jabones de metales univalentes solo se tiene una cadena hidrocarbonada por cada

ion metálico.

Cuando la concentración de aceite en agua es muy baja, la emulsión se estabiliza solo

con los polímeros que contiene el lodo, ya san bentonita, lignitos CMC, almidones, etc.

Pero a medida que la concentración del aceite aumenta, es necesario el uso de los

emulsificantes específicos.

Por otro lado las gotas de la emulsión llevan una pequeña carga (-) electrostática; en

sistema de agua salada con baja concentración de sal, estas cargas eléctricas que son

iguales, hacen que la gotitas se repelan mutuamente, contribuyendo a la estabilidad de

la emulsión.

La estabilidad de la emulsión aumenta con el incremento de la viscosidad del medio

continuo debido a que el número de coaliciones entre las gotas disminuye; por otra

parte, la estabilidad de la emulsión disminuye con el incremento de la temperatura ya

que el número de coaliciones aumentan.

Los emulsificantes O/W más conocidos son los oleatos de sodio para concentración de aceite

hasta 40%: los oleatos de calcio y de magnesio, emulsionan agua en aceite.

Otros emulsificantes generales mas conocidos son los Alkil-aril-sulfonatos y sulfatos,

polioxietilenos de ácidos pesados esteres y otros como el DME, óxido derivados de Nonyfenol

para lodos cálcicos. El uso de uno o de otro producto dependerá de la salinidad y dureza del

agua.



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Los lodos de ED o de emulsión directa, también conocidos como lodos de baja densidad, son

muy utilizados par perforar zonas con bajo gradientes de fracturas y que puedan contener

matriz muy sensitiva al agua.

PREPARACION DE UNA EMULSION DIRECTA (ED) o de Baja densidad

Su diseño depende mucho de la densidad final a obtener del grado de inhibición que se

quiere, y consiste en lo siguiente:

Se agregan al agua, dulce o salada los polímeros (bentonita, celulosas, etc.) según

concentración programada, y con una buena agitación luego se continúa con el agregado del

emulsificante especifico para continuar con el agregado del diesel en un volumen hasta

obtener la densidad final del lodo. Es muy importante el factor agitación ya que de ella

depende la formación rápida de la emulsión. El PH del medio en un rango de 8.5 a 9.5 mejora

la estabilidad.

La cantidad de sal se basa en datos de la salinidad del agua de formación, para evitar la

hidratación de las arcillas que puedan tener las formaciones productoras; el agregado del

emulsificante específico se lo debe hacer en forma lenta y homogénea; la concentración de

éste producto depende de los polímeros usados para el lodo. Una receta muy utilizada es la

siguiente:

Base de lodo final 1 bbl (agua y diesel según densidad final a obtener)

Agua dulce 1 bbl

Sal según la inhibición requerida

Bentonita 2.5 – 5 lb/bbl.

Carbonox; (Lignito) 0.7- 1 “.

Soda cáustica 0.35- .0.75 “

Therma Thin, fosfonatos 0.2 - 0.5 lt

Emulsificante 0.8-1.7 lt

Diesel según densidad final deseada.

El filtrado API de estos lodos es bajo debido a que la película formada por contener diesel, es

bastante impermeable al paso del agua, además el espesor de la película formada es muy



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delgado por la baja concentración de sólidos (1 - 3 %). Si se quiere mejorar el filtrado, se

puede agregar reductote de filtrados: tipo resinas.

Estos lodos debido a la agitación y al contenido de polímeros, entrampan mucho aire bajando

el peso e incrementando substancialmente la viscosidad de embudo.

Rango aceptable de propiedades se puede ver en la siguiente tabla

Densidad visc plast pto. Cedente % sólidos filtrado API

Gr./cc cps lb/100pie2 cc/30’

0.86- 1 55 - 63 15 –17 2 – 4 2 – 4

MANTENIMIENTO DE LOS LODOS DE BAJA DENSIDAD

Mantener el filtrado API entre 3 a 5 cc/30 in y el HTHP entre 12 – 15 con baranex (resinas) o

termachek; el producto carbonox ayuda a mantener la reología baja de estos lodos.

La relación Mf /Pf debe mantenerse por debajo de 2, mayor valor, significa contaminación con

carbonatos que de ser cierto se debe tratar al lodo elevando el Ph entre 8 a 10 y tratar con cal

manteniendo un exceso de cal de 0,25 a 0.5 lb/bbl Es importante mantener una dureza

inferior a 150 ppm para no dañar la estabilidad de la emulsión, el MBT, debe mantenerse

entre 20 y 25 lb/bbl, a valores mayores existen problemas de viscosidad alta.

Un incremento de los sólidos aumentará la densidad, viscosidad y espesor de película;

una perforación rápida incidirá en una disminución de la concentración de los

polímeros, todo esto obligará a mayor uso de dispersante y una optimización del uso de

equipo de control de sólidos y dilución y el agregado de mayor cantidad de los

polímeros

LODOS BASE ACEITE: EMULSION INVERSA (EI).

Una emulsión inversa (EI) está compuesta por una fase continua que es el aceite en la cual se

encuentra el agua en forma de emulsión. El agua que compone la EI puede ser agua dulce,

pero por lo general es salada la cual tiene una cierta actividad que puede balancear la

actividad del agua de formación.



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La actividad del agua de la EI hace que la emulsión pueda sacar el agua de la formación

a través del proceso osmótico, es decir que soluciones de distintas concentraciones

separadas por membranas semi- permeables llegan al equilibrio de sus soluciones a

través de una presión osmótica generada por la diferencia de las concentraciones. (Ver

anexos de presión osmótica vs. concentración de sales) y es a través de este proceso que

estos lodos deshidratan a las lutitas estabilizando las formaciones que las contienen. La

actividad de la salmuera disminuye con la salinidad (el agua pura tiene una actividad

Aw = 1)

Al tener solo fluido aceite en el filtrado, no hidratan a formaciones de arcillas muy activas tipo

(GUMBO) como así tampoco disuelven formaciones solubles al agua, como ser anhidritas,

evaporítas, domos salinos, etc. por otra parte son bastante utilizados para perforar arenas

muy sensitivas al agua por tener un matriz muy arcillosos, son útiles en las operaciones de

coroneos, dan mejores informaciones de las formaciones que los lodos base agua

Debido a que son fluidos son más compresibles que los lodos base agua se puede tener a

favor una hidrostática de 0,2 a 0,4 LPG en el fondo del pozo dando mayor estabilidad a

aquellas formaciones que tienen esfuerzo residuales (altos buzamientos).

Estos lodos por la naturaleza del propio aceite y los aditivos químicos que los

componen tienen mayor lubricidad disminuyendo las resistencias por arrastre y por

torsión y que juntos a que su revoque es muy delgado e impermeables por esta razón se

usan para perforar zonas de alta permeabilidad con tendencia al pegamiento por presión

diferencial.

Debido a que el medio continuo es aceite, las reacciones que puedan causar corrosión a las

partes metálicas se minimizan, además que existe una gran estabilidad de estos lodos con

temperaturas altas. Es por esta razón que se los puede usar como fluidos reparación y de

empaque por su estabilidad con el tiempo.

Por último podemos decir que son muy utilizados en la perforación de pozos desviados y

horizontales (mas adelante veremos algunas ventajas de operación); sintetizando podemos

decir que las EI se usan en aquellas zonas donde los otros lodos base agua no son viables.

Resumiendo sus ventajas:

Mayor estabilidad a altas temperaturas. La mayoría de sus componentes aceptan altas

temperaturas si sufrir cambios en su naturaleza.

Mayor velocidad de penetración, debido a su mejor lubricidad, y si son de filtrado

relajado, mejoran aun mas la penetración.

Mínimo torsión y arrastres en maniobras, debido a su poder de lubricidad

Mayor resistencia a la contaminación con los contaminantes comunes debido a que los

sólidos prácticamente se comportan como inertes ya que no entran a la fase agua.



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Mayor estabilidad de formaciones problemas hay mínima reacción lodo formación.

Mínima dispersión de recortes, ya que el agua no esta en contacto con los recortes

Mayor eficiencia de las zarandas, debido a la lubricidad y dispersión de los recortes

Mayor vida útil de los trépanos. Por efecto de lubricidad

Mejor comportamiento en perforaciones de pozos dirigidos y horizontales

El costo de mantenimiento es mínimo ya que los sólidos de formación minimizan su

incorporación.

Menor daño a las formaciones productoras por bloqueo de agua, por no hidratar las

paredes de la formación, no hidratan las arcillas que es una de las causa de la disminución

de la permeabilidad.

Minimiza el aprisionamiento por presión diferencial, debido a que el revoque es muy

delgado y lubricado (aceitoso).

Pero también estos lodos tienen una serie de desventajas a saber:

Tienen un alto costo inicial, pero no así en costo global.

Requieren mas tiempo de preparación que los base agua, ya que su estabilidad mejora con la

agitación (el lodo es mas homogéneo cuando pasan por las boquillas del trepano)

Son muy dañinos al medio ambiente, son tóxicos

Existe mayor riesgo de incendio, ya que el diesel es combustible.

Por tener mayor viscosidad que un lodo base agua, en condiciones similares, la eliminación de

los sólidos por separación de fase es menor,

Permiten el ingreso de gas de las zonas gasíferas, disminuyendo la viscosidad del lodo y

provocando un asentamiento del densificante.

En caso de perdida de circulación, su uso resulta muy caro

Se tiene dificultad en tomar registros eléctricos, no se pueden correr los registros de

inducción.

Deteriora las partes gomas del equipo, obligando a usar productos de Neopreno o Buta N en

las BOP.

Estos lodos de E.I tienen un comportamiento mas tendiendo a newtonianos y menos

tixotrópicos que los base agua, así que deben tener un mejor control de la viscosidad efectiva

para mejorar el acarreo de recortes.

El SH2, el CO2 y el metano, son solubles en los lodos de E I, a presiones elevadas entran al

lodo causando problemas de amago de reventones.

El equipo se debe acondicionar para su trabajo con una EI para minimizar pérdidas en

superficie y el personal debe tener un adiestramiento.

EL PROCESO INHIBITORIO DE HIDRATACIÓN DE ARCILLA OCURRE POR:



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En la hidratación de las arcillas esta involucrado el proceso de Osmosis que se expresa de la

siguiente manera:

Cuando se ponen en contacto dos soluciones de una misma sal de distintas concentraciones

separadas por una membrana semipermeable, (en este caso permeable solo al agua), se

produce una migración del agua de la solución mas diluida hacia la mas concentrada, el cual

no cesa mientras haya una diferencia de concentración de la sal en los dos medios. Este

fenómeno recibe el nombre de Osmosis.

El agua al penetrar a la parte concentrada de la sal, aumentara la presión de ese medio

recibiendo el nombre de Presión Osmótica. Por ejemplo en soluciones de ClNa, tanto el ion

Cloro como el ion Sodio se encuentran hidratados o cubierto con ciertas moléculas de agua

fuertemente absorbido al ion, existiendo más agua en el medio semi o no absorbidos a los

iones, llegando a constituir el agua libre. Se dice que la capa de agua en contacto con el ion

esta fuertemente ligado a el, y no puede hidratar otros iones.

A medida que aumenta la concentración de la sal, aumenta el agua ligada disminuyendo el

agua libre, disminuyendo el grado de libertad que tiene ese fluido concentrado, a ese grado

de libertad se llama “actividad del agua salada”. La actividad d agua dulce tiene valor de 1,

valor que disminuye con la concentración de la sal, esto hace que las soluciones concentradas

absorban agua de un medio menos concentrado.

Aplicando esto a los fluidos que perforan, podemos decir que los lodos salados con salinidad

mayor que la salinidad del agua de formación que contiene la lutita tiene un efecto de

rehidratación de las lutitas. El agua migra del agua de lutita hacia el agua del lodo.

COMO OCURRE LA EMULSIFICACION DEL AGUA EN EL ACEITE?

Como se dijo anteriormente en el análisis en las emulsiones aceite en agua, O/W, o

emulsiones directas (ED), aquí analizaremos las emulsiones agua en aceite, W/O o emulsiones

inversas (EI). En este caso la fase continua, el aceite, envuelve las gotas de aguas, que es la

fase dispersa, haciendo que estas no interactúen entre si, el diesel forma una película o

barrera sobre las gotas de agua; la cual es estabilizada por un emulsificante específico. La

estabilidad de esa barrera se da porque la tensión interfacial aceite- película es menor que la

tensión interfacial película-agua. Las cadenas hidrocarbonadas del emulsionante tienen

mayor área trasversal que la parte polar del producto dando lugar a la emulsión W/O.

Los emulsificantes más usado los oleatos de calcio y magnesios, donde el ion metálico se

adsorbe al agua y la cadena hidrocarbonada al aceite. La solubilidad de los cationes aumenta

al tener la fase agua algún electrolito como ser CL2 Ca. Obteniéndose así mayor estabilidad de

la emulsión.



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CLASIFICACION DE LOS LODOS BASE ACEITE:

Se los clasifica según sea el origen del aceite:

a.- base petróleo o aceite diesel

b.- aceites minerales de baja toxicidad

c.- base aceite vegetal

Ellos pueden ser emulsiones o aceites puros; y la tecnología de preparación y mantenimiento

tiene muy poca variación cualquiera sea el fluido

Los lodos de aceite vegetal tienen las desventajas de ser muy caros, pero no dañan al medio

ambiente.

COMPOSICION DEL LODO

Básicamente se compone de:

Aceite que es el medio continuo donde se dispersan, emulsionan o disuelven los demás

componentes

En caso que sea diesel, éste debe cumplir con ciertas especificaciones precisas para su uso

que comprende la GS de 0,81 - 0,84, el punto de inflamación debe ser mayor a 180°F, el punto

de anilina mayor a 150° F, alto punto inicial de ebullición383-401°F, de bajo contenido de

aromáticos (a mayor contenido de aromáticos mayor es el daño a las gomas)

Arcilla organofílica; conocida como bentona, esta no es otra cosa que una bentonita tratada

con amina para hacerla dispersable en aceite; este producto, da viscosidad y estructura gel

al diesel, mantiene en suspensión al densificante forma una película impermeable sobre las

paredes de la formación controlando el filtrado; por lo general es de apariencia de polvo de

verde amarillento y su concentración de uso está en el rango de 1 a 10 LPB.

Emulsificante primario, es una mezcla de aceite pesados oxidado con un ácido graso

poliaminado, (aminas cuaternarias), es por excelencia un emusificador específico del agua en

aceite, por lo general es líquido pardo oscuro y su concentración de uso varía de 4 a 12 Lb/bbl,

este producto aniónico, necesita de cal para ser activado, convirtiendo el ácido graso sódico o

jabón sódico en un ácido graso cálcico o jabón cálcico.

Emulsificante secundario, es un producto no iónico, tendiendo a catiónico, surfactante de

ácido graso poliaminado que ayuda a estabilizar emulsiones de agua en aceite, y a humectar



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los sólidos de formación y la baritina al aceite. No necesita de cal para su activación. Es un

líquido de color oscuro rojizo, y su concentración de uso oscila entre 2 a 6 LPB

Producto para control de filtrado HTHP, pueden ser de naturaleza asfáltica, leonadita, o

lignito modificado que se dispersan en aceite, su concentración de uso varia según se requiera

de un emulsión relajada (alto filtrado) o con bajo filtrado oscilando de 2 a 10 LPB

Otros componentes muy importantes en la preparación de la emulsión son: El agua por lo

general el agua salada, siendo la sal la que le da actividad osmótica controlando la hidratación

de las arcillas. La sal reduce la actividad del agua, y da mayor solubilidad a la cal. Las sales mas

comúnmente usada, son el ClNa y/o el Cl2Ca, siendo las salmueras de Cl2Ca las más usadas. El

agua ayuda a dar viscosidad y fuerza gel como también ayuda a controlar el filtrado. en la fase

acuosa es donde esta contenida la sal y los iones de la cal para controlar el proceso osmótico y

controlar los fluidos ácidos como el SH2 y CO2 proveniente de la formación

Otro producto importante es la cal, que es el activador de los emulsificantes primarios es decir

ayuda a estabilizar la emulsión inversa y en concentraciones altas, se usa como fuente de

calcio controlando la alcalinidad del lodo con el fin de aumentar el Pm; también controla la

contaminación con SH2 y CO2, haciendo a estos lodos mas resistentes a estos contaminantes.

Algunos productos tipos lignitos tratados con aminas son usados para bajar la viscosidad y la

fuerza gel; son conocido como los dispersantes de las emulsiones inversas.

También se tienen productos conocidos como Humectantes que sirven para mejorar el

mojado de los sólidos densificantes y de los sólidos de formación, estos son en su mayoría

mezcla de ácidos grasos poliaminados a base de lecitina.

.

Si bien en la práctica petrolera se tienen recetas para la preparación de estos fluidos, la

concentración real de los productos está en función de la estabilidad del pozo perforado. Es

decir deben tener una reologia adecuada, filtrado que sea solo aceite, y que tenga una

actividad para balancear la actividad de la formación, todas estas consideraciones son hecha

en base a la acción del lodo con la formación. Es muy importante tener muy en cuenta la

estabilidad eléctrica (EE) de la emulsión que por lo general no sea menor a 400 voltios para

que esta no se rompa a las condiciones que imperan en el pozo.

Hay que tener siempre en cuenta que; la fase acuosa al estar emulsionada como

pequeñas gotas, estas se encuentran rodeadas por aceite y nunca esta en contacto con

la formación ni con ninguna parte del equipo de perforación. En la interfase diesel agua

es donde se llevan a cabo las reacciones químicas.

La estabilidad de una emulsión depende de la relación aceite / agua, del tiempo y fuerza

de agitación y por el tipo y concentración de los emulsionantes usados.



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En anexos se tienen tablas de mezclas de agua con sales como ser de ClNa y

Cl2Ca que son las más utilizadas en la empresa petrolera. Estas sales en la

emulsión son muy necesarias para el balance con el agua de formación

Estos lodos pueden adquirir densidad a través del agregado de carbonato de calcio, baritina, o

hematina.

LODOS BASE ACEITE PURO. (100% ACEITE).

Pueden llegar a tener hasta u 5% de agua que puede provenir de la misma formación. Por lo

que el emulsificante primario pude no usarse en la formulación. Estos lodos son muy usados

en la extracción de núcleos de formación para evitar la entrada de agua y para evitar los

cambios de humectabilidad causados por las altas concentraciones de emulsificantes y

agentes humectantes. Tienen un gran problema de tener bajas viscosidades que a veces es

solucionado con el agregado de asfalto en altas concentraciones o bien con el agregado de

algún producto específico para viscosidad, junto con una bentona.

Su composición básica consta de:

- Aceite como medio continuo

- Viscosificante, bentona de alto rendimiento.

- Emulsificante y humectantes si fuese necesario.

- Cal si fuese necesario para controlar los gases ácidos

- Controlador de filtrado como ser un Asfaltos.

- Dispersantes o consoladores de reología

- Densificante.

En anexos se dan algunas formulaciones cuya concentración de los polímeros organofilicos

dependerán de la relación aceite agua y de la cantidad de aceite, agua, cantidad de Cl2Ca, y

densificante dependerán además de la densidad final a obtener. Así también, existen

formulaciones para lodos base aceite puro convencionales y para lodos aceite puro de

reologia mejorada*.

* Cada compañía de fluido de perforación tiene definidas sus formulaciones es función de lo

dicho anteriormente como así también de la efectividad de sus productos usados.

LODOS DE EMULSION INVERSA EI



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En líneas generales tiene la misma composición de los lodos base aceite puro. La diferencia

está en que estos lodos tienen al agua como fase discontinua. Veamos la composición:

- El medio continuo; diesel o petróleo o aceite mineral

- El medio discontinuo o agua con salinidad según diseño

- El agente arcilloso para dar viscosidad y suspensión

- El agente primario para mejorar la estabilidad de la emulsión

- Agente secundario para la estabilidad de la emulsión

- Reductor de filtrado

- Cal

- Humectante de sólidos al aceite.

- Material para densidad

- Consoladores de reologia.

La agitación produce partículas o gotas de aguas pequeñas que se dispersan en el aceite

dando al aceite viscosidad que será mayor a medida que el tamaño de las gotas de agua

disminuye, las gotas de agua también contribuyen a dar fuerza gel y control de filtrado; el

agregado de los emulsionantes y de la cal ayudan a estabilizar esta emulsión. A menor

cantidad de agua en la emulsión, es necesario agregar productos químicos para suplir las

funciones del agua..

En la interfase petróleo / agua es el lugar donde se dan las reacciones químicas, en ella, la cal

se combina con los emulsionantes proveyendo el Ion calcio que activara y transformará los

ácidos grasos en jabones de calcio que estabilizan la emulsión.

.

Los jabones de calcio tienen dos grandes grupos orgánicos terminales ligados al ion central de

calcio que es soluble en agua. Estas moléculas de jabón se doblan a través de la interfase

aceite agua dando como resultado una emulsión de agua en aceite.

Al agregar un electrolito al agua, la solubilidad del calcio aumenta, dando mayor estabilidad a

la emulsión. Es por esta razón que se le agrega cloruro de sodio o cloruro de calcio o mezcla

de ambos.

Cuanto menor es la gota de agua, mayor es el área específica de contacto agua aceite

y el emulsionante que se encuentra en esta interfase mantienen la estabilidad y

ayudan a disminuir la coalescencia de las gotas de agua disminuyendo el riesgo de

rotura de la emulsión.

Es importante hacer notar que cada gota de agua esta totalmente aislada envuelta del

emulsionante y del aceite de tal manera que el agua no entra en contacto con la formación ni



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con las partes metálicas del equipo. De lo anterior se deduce que el filtrado de una emulsión

inversa debe ser totalmente aceite.

Por otra parte el agregado de sal al agua se debe a que la salinidad de esta fase debe ser

mayor que la salinidad del agua de formación con la finalidad de no hidratar la formación. Es

necesario conocer o estimar la actividad del agua de formación como así también la actividad

del lodo, determinación que se realiza a través del instrumento llamado Higrómetro, de la

comparación de estas actividades se puede saber si estamos hidratando o secando las arcillas

de formación. Otro parámetro muy importante a determinar es la estabilidad de la emulsión

que no es otra cosa que medir a través de un circuito el voltaje necesario para que una

corriente pase a través de la emulsión. El procedimiento de estas determinaciones y algunos

cálculos se encuentran en apéndices.

SECUENCIA DE MEZCLADO DE LA EMULSION INVERSA (según algunas practicas)

La preparación y mezclado de la EI necesita una mayor atención que la de aceite puro debido

a que se tiene que estabilizar una emulsión. Es necesario tener las siguientes consideraciones.

- Durante todo el mezclado de producto se debe tener máxima agitación, es decir mantener

agitado el sistema con agitadores a paletas como también con pistolas submarinas; y que

los embudos estén trabajando, esto asegura un mejor mezclado y un lodo más

homogéneo en sus propiedades.

- Es preferible que el cambio de fluido por la EI se haga en el zapato de cañería última

bajada a fin de no causar desequilibrio en hueco abierto.(Esto es válido para cualquier

cambio de fluido cualquiera sea su naturaleza), hay que tener en cuenta de colocar fluidos

espaciadores entre el fluido desplazado y fluido que desplaza que sea compatible con

ambos)

- luego de agregar el aceite a los cajones de lodo en cantidad según diseño, se debe agregar

el emulsificante primario

- Se debe agregar la cal.

- Se debe agregar el emulsificante secundario

- luego se debe agregar el agente para dar viscosidad al fluido

- Posterior se debe agregar el agua salada en cantidad según diseño. Esta solución debe

prepararse en tanques adicionales. De no contar con tanque adicional en el equipo, este

punto se convierte en el primer punto de la operación donde se deben agregar todos los

demás productos incluido el aceite.

- Se debe agregar el producto de control de filtrado

- Por último, agregar el material para dar densidad al fluido; muchas veces es necesario



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agregar algún producto que ayude a mojar los sólidos (densificantes) al aceite.

Existen en el mercado petrolero productos adicionales que pueden corregir alguna deficiencia

en propiedades tales como agentes controladores de reología, productos específicos para

aumentar la viscosidad, etc.

Luego de mezclado todos los productos según diseño se debe hacer un análisis completo de

las propiedades de la EI y en función de los resultados obtenidos se deben hacer los ajuste

necesarios para enmarcar al fluido dentro de un rango aceptable de propiedades.

La suspensión de la baritina en el fluido dependerá de la fuerza gel del lodo como también del

punto cedente y de la estabilidad de la emulsión.

El tener un filtrado APAT (HTHP) todo aceite, dependerá de la estabilidad de la emulsión, de

la concentración de sal en la fase acuosa

La formación de grumos de baritina indica la falta de producto mojante como de mala

estabilidad de la EI.

Una alta viscosidad de estos lodos puede indicar alto contenido de sólidos, contaminación con

agua o un alto tratamiento con emulsificantes.

Una EI recién preparada presenta baja viscosidad y estabilidad, sus valores se incrementarán a

medida que el fluido va tomando su temperatura de trabajo y se vuelve un fluido más

homogéneo.

CONSEJOS PARA UN BUEN MANEJO DE LAS EMULSIONES INVERSAS

Como en la preparación de cualquier lodo, para que la mezcla sea homogénea y se obtengan

las propiedades programadas, entran en juego una serie de consideraciones a tener en cuenta

como ser:

Calidad del agua y diesel la calidad del agua es mucho mas importante en los lodos base agua;

con respecto al diesel se dieron pauta anteriormente para su uso en lodos

Tipo y calidad de productos. Cada producto químico debe contar con sus especificaciones

sobre su calidad que se encuadren según las normas API, Ocma, etc. que garanticen su buen

desarrollo en los lodos

Agitación del sistema: Es un factor muy importante en los lodos base aceite, es sinónimo de

velocidad de corte, ya que dependiendo de la agitación se puede tener una mezcla mas

homogénea; la agitación puede ser dada con agitadores de paletas, a través de jets en las



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pistolas y embudos de agregados como también en las boquillas del trépano donde en

realidad se tiene la mayor velocidad de corte.

Instrumentos de medidas en buenas condiciones. Es necesario la verificación de los

instrumentos de medidas para que los errores que puedan tener no sean atribuidos a otros

factores y entre los mas importantes tenemos a la balanza, reometros, pipetas, probetas y

otros.

Un diseño de una EI se basa sobre los siguientes puntos o mejor dicho están hechas en

función de las condiciones imperantes en el pozo. Aquí daremos el lineamiento general de su

diseño:

1º.- definir si el lodo de EI a diseñar será de bajo control de filtrado o de alto control de

filtrado (relajado). Se tienen ejemplos en cuadros ei-1 y cuadro ei-2 y más adelante se da la

metodología del cálculo exacto para preparar 1 bbl de lodo.

2º.- la máxima temperatura y presión que se encontraran en el pozo.

3º.- densidad del lodo.

4º.-La salinidad que debe tener el lodo.

5º.- pureza de la sal a usar.

6º.- Relación aceite agua.

FORMULAS GENRALES

PRODUCTOS Bajo control filtrado Alto filtrado

lb/bbl lb/bbl

Emulsificante primario 8 - 10 3 - 4



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Emulsificante secundario 2 - 3 6 - 10

Control filtrado 8 -14 2 - 3

Bentona 2 -3 2 -3

Cal 4 - 8 2 - 4

Cuadro de formula ei - 1

Estos productos siempre se deben de agregar al aceite para formar la EI con el agua.

Una formula mas completa para diseñar un lodo EI debe partir de la densidad final deseada

del lodo el cual comprenderá una parte líquida que es la mezcla diesel / agua y una parte

sólida que comprenderá el material para densidad en forma muy aproximada; la parte

liquida variará su composición y densidad en función de la relación aceite agua y de la

salinidad de la fase acuosa así por Ej.:

Para una salinidad del agua salada se puede tener las siguientes relaciones para una sola

densidad final.

Salinidad de la fase acuosa 350000 ppm Cl2Ca

Lodo final 1 bbl

Densidad gr/cc R--70/30 R--80/20

1.20 diesel 0.71 0.80

Agua 0,17 0,09

Cloruro Calcio (lb) 34.2 16.6

Baritina lb 96 118

1.44 diesel 0.65 0.73



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Agua 0,16 0,08

Cloruro Calcio (lb) 30,5 15,3

Baritina lb 204 224

1.80 diesel 0.61 0.64

Agua 0.14 0.07

Cloruro Calcio (lb) 26.6 13.3

Baritina lb 366 384

ei-2

NOTA en metodología de calculo se dan la fórmulas para el cuadro ei.2

En las fórmulas ei-2 se le debe agregar los productos del cuadro ei-1 según convenga Como se

puede observar a mayor relación aceite / agua mayor cantidad de baritina y menor consumo

de sal.

En anexos se da una metodología del cálculo para diseñar una emulsión a barriles exactos.

PROPIEDADES PROMEDIOS

Alto filtrado o relajado bajo filtrado

Relación 70/30 80/20 85/15 90/10

Densidad gr/cc 1.2 1.2 1.6 1.8

V M seg 4 0-44 42-46 45-52 50-55

Vp cps 14 -18 16-20 25-32 24-40



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PC lp100pie2 6-8 6-10 8-14 16-25

Geles lp100pie2 2/4-3/8 2/4 - 3/10 4/12-4/14 6/14 - 8/18

EE voltios 450 500 650 1200

Sal ppm Cl2Ca*1000 250 300 350 350

ei-3

Nota: propiedades tomadas por el autor a nivel de pozo a lodos vírgenes sin envejecimiento

del lodo, temperatura 120°F

CONTAMINACION Y MAMTENIMIENTO DE LA EI:

En realidad estos lodos son muy poco afectados por los contaminantes comunes en la

perforación de un pozo; así tenemos, el calcio que proviene de una cementación o una

formación que contenga yeso afecta muy poco a la estabilidad de la emulsión debido a que la

fase acuosa que es donde pueden solubilizarse esta aislada por la barrera del aceite, en caso

de perforar tapones de cemento se recomienda dejar de agregar cal al sistema.

La contaminación con sal (ClNa) que puede haber en las formaciones no influirán en las

propiedades a menos que la salinidad del lodo esté por debajo de la de formación. La

sobresaturación de la emulsión con saldará lugar a una separación de los sólidos del lodo

como consecuencia de una estabilidad eléctrica baja.

La corrosión por CO2 y SH2 en estos lodos no se presentan porque el diesel es un buen

aislante del metal y además porque la emulsión contiene en su seno a la cal que neutraliza los

efectos negativos de estos gases ácidos.

El mayor contaminante de todos los lodos son el agua dulce y los sólidos de formación, es por

eso, que los sólidos de formación deben ser eliminados lo más que se pueda ni bien salen a

superficie.

La incorporación de los sólidos al lodo causa

Incremento de la densidad e incremento del % de sólidos

Incremento en la viscosidad y geles

Incremento en el filtrado



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Bajada en la EE.

Inestabilidad de la emulsión

Es decir hay una caída total en las propiedades del lodo debido a dos situaciones, una

es que, el sólido al eliminarse a la fosa de recortes junto con ellos se eliminan productos

químicos básicos de la emulsión, esta situación causa una declinación en las

propiedades; y la segunda es que los sólidos que se incorporan al lodo al ser

nuevamente circulados disminuyen su tamaño e incrementan su área específica

adhiriendo sobre su superficie mayor cantidad de material básico de la emulsión,

disminuyendo la concentración de estos.

La EI, como todo lodo, al perforar sufre cambios en sus propiedades debido al tiempo de

envejecido y a las contaminaciones; por esta razón es necesario que en forma periódica y de

acuerdo a análisis del lodo se efectúe un tratamiento para mantener las propiedades dentro

de un rango aceptable de trabajo. Veamos un análisis:

Un incremento en viscosidad se puede deber a

1.- contaminación con agua, Esta situación, puede ser observado en la retorta por el

incremento del agua, disminuyendo la relación D/A como así también puede haber una menor

densidad del lodo. El control se realiza con agregados de diesel para ajustar la delación D/A,

agregando emulsificante primario y/o secundario y el agregado de la sal.

2.- contaminación con sólidos puede causado por un control inadecuado de sólidos y por uso

de trépanos de diamantes; su incorporación, es observado a través de la retorta. El control se

efectúa por el agregado de Emulsificante primario el uso de algún producto humectante

rápido de sólidos al aceite, una dilución con diesel, y el uso de un equipo de control de sólidos

más eficiente

.Incremento en el Gel, observado en valores altos de lecturas a 3 rpm. Y que puede ser

causado por exceso de sólidos, o un alto tratamiento de bentona. El control se efectúa con

agregados de humectantes y/o bajar la concentración de la bentonas.

Sólidos humedecidos por agua, puede ser observados en zaranda granos grueso de baritina

agrupados de apariencia opacas como también se puede observar un asentamiento en la copa

del reómetro la solución puede venir con el agregado de emulsificante secundario, y un

humectante; el asentamiento de barita puede deberse a falta de suspensión del lodo y la

solución se da con el agregado de bentona.

Rotura de la emulsión, de fácil observación visual, se observa separación de fase diesel / agua

y sólidos, agua en el filtrado, EE muy baja; los causantes pueden ser varios como hemos visto

anteriormente y la solución se hace con el agregado de emulsificantes y cal; la presencia de

agua en el filtrado es un indicio de EE baja que a la menor contaminación tiende a romperse,



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esta presencia de agua en el filtrado puede deberse a proceso osmótico, incorporación de

sólidos, entrada de gases ácidos que el estar en el lodo disminuyen la concentración de los

materiales básicos

Un sobretratamiento con sal, causa una rotura de la emulsión, la solución inmediata viene con

el agregado de agua dulce.

La contaminación no solo involucra el uso de aditivos químicos sino también es necesario

contar en el equipo de perforación con buenas unidades de control de sólidos.



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METODOLOGIA DE CÁLCULO DE UNA EI

Para diseñar una emulsión se debe contar con una serie de datos que son necesarios para

poder preparar un volumen exacto de la misma: Así es necesario saber

1.- Las ppm de cloruro de calcio necesario para balancear las fuerzas osmóticas y de

hidratación superficial, para ello se necesita saber cual es el esfuerzo de matriz o presión de

poro y la salinidad del agua intersticial de la formación. En anexos se dan gráficas para este

cálculo

2.- la pureza de la sal usada %

3.- densidad del lodo, dm, lpg

4.- densidad del diesel, do, (7 lpg)

5.- densidad del agua, dw, (8,33 lpg)

6.- densidad del material de peso db (barita de 35 lpg)

7.- relación aceite / agua R=Ro/Rw, (Ro es la relación del diesel y Rw la del agua)

8.- volumen de lodo a usar Vm, bbl , que es base de calculo

de tablas (anexos) para una dada salinidad sacar el %peso de la sal, su densidad en la fase

acuosa, y el incremento volumétrico fw que da el agregado de sal al agua.

El peso o densidad de la fase líquida de la EI será:

Dfl = fwRwRo

fwRwdwRodo

*

*** a-1

El volumen de la fase líquida será:

Vfl = Dfldb

dmdbVm )(* a-2

El volumen del diesel es:

Vo = fwRwRo

RoVfl

*

* a-3



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El volumen del agua salada:

Vws = Vfl-Vo a-4

Volumen del agua dulce

Vwd = fw

Vws a-5

Volumen de baritina será:

Vb = Vm - Vfl a-6

Los sx de barita son

N° sx de barita de 100lb c/u = Vb*14,70 a-7

Donde 14,70 = son los sx de barita que hacen 1 bbl

Ejemplos:

Vm = 100 bbl, Dm = 1.04 gr/cc

Salinidad = 250.000 ppm de Cl2Ca Fv = 1.10 , D salm = 1.23 gr/cc

Doil = 0.84 gr/cc

Relacion aceite agua. R = Ro/RW = 85/15

Material densificante, baritina GS = 4.2.

Resultados:

Densidad de la fase liquida, Dfl = 0.88 gr. /cc

Volumen de la fase liquida, Vfl = 95.3 bbl

Volumen de aceite, Vo = 79.8 bbl



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Volumen de agua salada, Vas = 15.5 bbl

Volumen de agua dulce, Vwd = 14.1 bbl

Volumen de baritina Vd. = 4.7 bbl

Nº sx de baritina de 110 lb. Nº sx = 63 sx

Vol de Cl2Ca Vol de agua salada – volumen de agua dulce = 1.4 bbl

De tabla necesito 113,5 lb. /bbl de agua dulce para dar una salmuera de 250.000 ppm de

Cl2Ca

lb. de Cl2Ca = 113.5*14,1 = 1600 lb. Todos estos productos calculados anteriormente junto

con los emulsificantes, bentona, reductores de filtrados, cal (ya sea para bajo filtrado o

relajado) recién se formara una receta de emulsión inversa

Las compañías especializadas en fluidos de perforación han desarrollados sistemas de lodos

sintéticos. Por Ej.: La compañía Baroid tiene el sistema Petrofree, cuya fase continua es un

Ester de base vegetal; el sistema XP- 07 cuya fase continua es un alcano normal

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