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2

MANUAL DE CARACTERIZACIN DE ARCILLAS Y SU IMPORTANCIA EN LA INDUSTRIA DE HIDROCARBUROS

FRANCY NATALIA LEN DAZ

UNIVERSIDAD SURCOLOMBIANA

FACULTAD DE INGENIERA

PROGRAMA DE INGENIERA DE PETRLEOS

NEIVA

2007

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MANUAL DE CARACTERIZACIN DE ARCILLAS Y SU IMPORTANCIA EN LA INDUSTRIA DE HIDROCARBUROS

FRANCY NATALIA LEN DAZ

Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al titulo de

Ingeniero de Petrleos

Director ROBERTO VARGAS CUERVO

Magster en Geologa

UNIVERSIDAD SURCOLOMBIANA

FACULTAD DE INGENIERA

PROGRAMA DE INGENIERA DE PETRLEOS

NEIVA

2007

4

Nota de aceptacin

Presidente del Jurado

Jurado

Jurado

Neiva, enero de 2007

5

DEDICATORIA

Este trabajo es dedicado a mi querida mamita,

quien con su noble amor y paciencia me ensea

a ser mejor persona cada da.

Y a mis queridas hermanas a quienes

deseo mucho xito.

6

AGRADECIMIENTOS

La autora expresa sus agradecimientos a: A Dios por ser mi gua, proteccin y por sus incontables bendiciones. Roberto Vargas Cuervo, director de este proyecto, por inducirme al mundo de la Geologa y por su valiosa colaboracin tanto para el progreso de este trabajo como para mi desarrollo personal. Jorge Arturo Camargo y Ervin Aranda Aranda, evaluadores de este proyecto, por su incondicional respaldo y colaboracin para la culminacin de este proyecto. A mi gran amor, Carlitos Bahamon, por su continuo e incondicional respaldo, dedicacin y amistad durante nuestro tiempo juntos. Freddy Escobar, Fernando Bonilla y Eduardo Pastrana, docentes de la Universidad Surcolombiana, por respaldo durante mi periodo de intercambio acadmico con la Universidad de Oklahoma. Dr. Roger Slatt, mi asesor en la Universidad de Oklahoma, por sus valiosas enseanzas, respaldo y confianza. Elcy y Doly, secretarias de Ingeniera, por su sincera colaboracin y amistad. A mis amigos en Colombia, Estados Unidos y Austria, por su increble amistad: Martin Morales, Henry Florian, Yair Amaya, Jimmy Farfan, Rodrigo y Mafe Guzman, Javier Perez, Rodrigo Bastidas, Sebastin Bayer, Victor Jacome, Jeyson Campo, Lorena Martinez y a todas aquellas personas que de una u otra forma han contribuido para mi crecimiento personal y profesional.

7

CONTENIDO Pg.

INTRODUCCIN

17

1. GENERALIDADES

18

1.1 ESTRUCTURAS BSICAS DE ARCILLAS

18

1.1.1 Las lminas tetadricas

19

1.1.2 Las lminas octaedrales

22

1.2 ARREGLOS DE CAPAS QUE FORMAN LOS MINERALES ARCILLOSOS

24

1.3 CARGA DE LAS CAPAS

27

2. CLASIFICACIN DE MINERALES ARCILLOSOS

29

2.1 CLASIFICACIN DE GRUPO DE SERPENTINITA-KAOLINITA

30

2.2 CLASIFICACIN DE GRUPO TALCO-PIROFILITA

31

2.3 CLASIFICACIN DE GRUPO DE LAS MICAS

32

2.4 CLASIFICACIN DEL GRUPO DE VERMICULITA-ESMECTITA

34

2.5 CLASIFICACIN DEL GRUPO CLORITA

39

2.6 CLASIFICACIN DEL GRUPO SEPIOLITA-PALIGORSQUITA

40

2.7 MINERALES MIXTOS DE ARCILLA

42

2.7.1 Tipos de capas

42

2.7.2 Arreglos de las capas

43

2.8 MINERALES ASOCIADOS

45

3. PROPIEDADES ELECTROQUMICAS DE LOS MINERALES ARCILLOSOS

51

8

3.1 IMPORTANCIA DEL CONOCIMIENTO DE LA NATURALEZA DE LAS ARCILLAS

51

3.2 PROPIEDADES FSICO-QUMICA DE LAS ARCILLAS

55

3.2.1 Carga laminar y pH de la solucin

55

3.2.1.1 La carga estructura o permanente

55

3.2.1.2 La carga superficial o dependiente del pH

56

3.2.3 Hidratacin de cationes

59

3.2.4 Unin de cationes a la superficie del mineral

60

3.2.5 Expansibilidad o hinchamiento de minerales

60

3.2.6 Defloculacin y dispersin

61

3.2.7 Capacidad de intercambio catinico

63

3.2.8 rea superficial

64

3.3 FACTORES FSICO-QUMICOS QUE AFECTAN LAS PROPIEDADES DE MINERALES ARCILLOSOS Y GENERAN DAO A LA FORMACIN

65

3.3.1 La distribucin del tamao de partcula y poros

65

3.3.2 Fuerzas de movilizacin y retencin

66

3.3.3 Concentracin de sal

66

3.3.4 Ratas de flujo

66

3.3.5 Presin de poro

67

3.3.6 Temperatura

67

3.3.7 Presencia de material orgnico

67

3.3.8 Humectabilidad

68

3.3.9 Efecto de concentracin de partculas slidas en los fluidos 68

9

de inyeccin 4. DAO DE FORMACIN POR MIGRACIN DE FINOS

70

4.1 OCURRENCIA DE ARCILLAS EN ARENISCAS

70

4.1.1 Arcillas de origen Alloctono

70

4.1.2 Arcillas de origen Autgeno

70

4.2 FUENTES DE DAO A LA FORMACIN

73

4.2.1 Dao debido a partculas introducidas

73

4.2.2 Dao debido a reacciones qumicas

73

4.3 MECANISMOS DE DAO DE FORMACIN

75

4.4 OCURRENCIA DE DAO A LA FORMACIN EN OPERACIONES DE CAMPO

76

4.5 TRATAMIENTOS REMEDIALES

77

4.5.1 Caso real: acidificacin de una arenisca en Estados Unidos

77

5. MTODOS DE CARACTERIZACIN PARA ARCILLAS

81

5.1 ANLISIS PETROGRFICO

81

5.1.1 Preparacin de las muestras

82

5.2 DIFRACCIN DE RAYOS X

83

5.2.1 Principios fsicos de Difraccin de rayos X

83

5.3 ANLISIS TERMOGRAVIMTRICO

86

5.3.1 Anlisis termogravimtrico

87

5.3.2 Anlisis trmico diferencial y calorimetra diferencial de barrido

88

5.4 ANLISIS POR MICROSCOPIA ELECTRNICA (Scanning Electronic Microscopy, SEM)

91

6. CONCLUSIONES 97

10

7. RECOMENDACIONES

99

BIBLIOGRAFA 100

11

LISTA DE FIGURAS

Pg.

Figura 1. Tamao de ion de silicio y oxgeno

20

Figura 2. Arreglo inico SiO4 de estructura piramidal

20

Figura 3. Estructura de la lmina tetahedral de dos silicios

21

Figura 4. Configuracin de la red tetahedral en vista frontal

21

Figura 5. Configuracin de la red tetahedral en vista areal

21

Figura 6. Iones sustituyentes al ion silicio en el tetahedro

22

Figura 7. Unidad octahedrica

23

Figura 8. Red octahedrica

23

Figura 9. Red octahedral trioctahedral y dioctahedral

24

Figura 10. Tipo de capa 1: 1

25

Figura 11. Tipo de capa 1: 2

26

Figura 12. Tipo de capa 2:2

26

Figura 13. Grupo Serpentinita-Kaolinita

30

Figura 14. Fases de la Serpentinita

31

Figura 15. Configuracin de grupo Talcoy Pirofilita

32

Figura 16. Muscovita con catin monovalente en el espacio interlaminar

33

Figura 17. Illita formada por adsorcin de molculas de agua en el espacio Interlaminar

33

Figura 18. Subgrupo de la Vermiculita

36

Figura 19. Subgrupo de la Esmectita

36

Figura 20. Distribucin de cargas elctricas en los grupos de minerales 38

12

arcillosos Figura 21. Configuracin de la Clorita

39

Figura 22. Estructura de la Sepiolita

41

Figura 23. Lmina mixta de Esmectita/Illita

43

Figura 24. Arrerglo laminar de minerales arcillosos mixtos

43

Figura 25. Expansin de una Montmorrillonita sodica y una calcica

53

Figura 26. Efecto del tamao del catin al entrar en la estructura cristalina de la Arcilla

54

Figura 27. Generacin de partculas por rompimiento de los bordes de la estructura Arcillosa por absorcin de cationes de mayor tamao

54

Figura 28. Mecanismos de alteracin de la Montmorillonita y propiedades petrofsicas de la roca debido al intercambio

54

Figura 29. Curva experimental que describe el comportamiento del intercambio inico controlados por el pH de la solucin para determinar CPC del Mineral

57

Figura 30. Carga elctrica de la superficie desarrollada por pH relativo a ZPC

58

Figura 31. Modelo esquemtico de Stern que explica la teora de doble capa elctrica en la superficie de la arcilla en solucin acuosa

59

Figura 32. Modelos de asociacin de partculas de arcilla en solucin

63

Figura 33. Comparacin en tamao de un crista de cuarzo y un mineral de arcilla

64

Figura 34. Modelo esquemtica que ilustra la superficie areal externa e interna de un mineral arcilloso

64

Figura 35. Modo de ocurrencia de arcillas Autgenas en areniscas

71

Figura 36. Mecanismos de alteracin de la permeabilidad y porosidad 72

13

Figura 37. Efecto del modo de ocurrencia de la arcilla y compactacin en la Permeabilidad y porosidad de la arenisca

72

Figura 38. Procedimiento para un exitoso tratamiento de acidificacin

79

Figura 39. Microscopio petrogrfico

81

Figura 40. Imgenes obtenidas por microscopio petrogrfico

82

Figura 41. Esquema para un anlisis petrogrfico

83

Figura 42. Esquema de Difraccin de rayos X

84

Figura 43. Difractograma obtenido por el mtodo Hanawalt para identificacin de Arcillas

86

Figura 44. Termobalanza y sus partes

87

Figura 45. Termogramas

89

Figura 46. Norma sobre las curvas

89

Figura 47. Equipo de anlisis termico diferencial

91

Figura 48. Esquema ilustrativo de un microscopio electrnico con formacin de imgenes por electrones secundarios mostrados en un pantalla

92

Figura 49. Arriba: imagen de cristales de sal (NaCl) creada por MBE. Abajo: espectros de energa caractersticos de sodio (Na) y Cloro (Cl)

93

Figura 50. Secciones delgadas de minerales arcillosos obtenidos en un Microscopio Eletronico.

93

14

LISTA DE CUADROS

Pg.

Cuadro 1. rea superficial de minerales arcillosos medida por adsorcin de Nitrgeno

39

Cuadro 2. Capacidad de intercambio de minerales arcillosos

39

Cuadro 3. Minerales nterestratificados de ocurrencia natural

46

Cuadro 4. Formacin de minerales arcillosos

47

Cuadro 5. rbol genealgico de las arcillas

47

Cuadro 6. Radios cristalinos e hidratados

60

Cuadro 7. Propiedades de minerales arcillosos

69

Cuadro 8. Alternativas para eliminar o evitar dao a la formacin debido a minerales arcillosos

80

15

RESUMEN

El objetivo fundamental del proyecto Manual de Caracterizacin de Arcillas y su Importancia en la Industria de Hidrocarburos, es contribuir a la formacin del Ingeniero de Petrleos de la Universidad Surcolombiana en el rea de Geologa Aplicada. A partir del anlisis de las propiedades fsico-qumicas, la configuracin estructural de los minerales arcillosos y la composicin de los fluidos presentes en el medio poroso, se explica en este documento los mecanismos de dao a la formacin de yacimientos de petrleo en areniscas, inducidos por alteraciones de estos minerales. En la realizacin de este documento de tesis, se identifico la importancia de realizar una caracterizacin mineralgica del reservorio en las etapas iniciales de exploracin y/o produccin de un pozo o campo. Lo anterior, permite prever los posibles mecanismos de dao al reservorio que podran generarse durante el desarrollo del campo y establecer alternativas preventivas y correctivas adecuadas para un determinado mecanismo de da por arcillas.

16

ABSTRACT The main objective of the Handbook of clay characterization y and its importance in the petroleum industry is to contribute to the training of the undergraduate petroleum engineers in the Surcolombiana University in the area of applied geology. From the analysis of the physical-chemistry properties, the structural configuration of clay minerals, and the composition of the fluids inside the porous media, this document explain the formation damage mechanisms in sandstone oil reservoirs due to clay mineral alterations. Through this thesis, I identified the importance of doing an initial mineralogical characterization of the sandstone reservoir, at the firsts stages of exploration and exploitation of hydrocarbons in a well or a field. This characterization allows to forecast the possible formation damage mechanisms that may be generated in field development and to establish suitable alternatives of correction or prevention that best fit in certain formation damages.

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INTRODUCCIN El dao de formacin por causa de los minerales arcillosos, es un problema comn asociado a operaciones de campo. Es con frecuencia un factor principal que reduce la productividad de un pozo y que puede evitarse o mitigarse. Estudios de laboratorio y la experiencia de la industria del petrleo indican que el dao a la formacin ocurre en muchas fases del desarrollo del yacimiento, tales como perforacin, completamiento, produccin, workover, estimulacin, inyeccin de agua o recobro mejorado. Ha sido reconocido que la principal causa de dao es el transporte de partculas finas en el medio poroso las cuales pueden estar presentes en el yacimiento. Algunas son introducidas a la formacin durante operaciones de campo y otras son resultados de interacciones roca-fluido y fluido-fluido. Estas partculas migran y se precipitan en el medio poroso disminuyendo la porosidad y permeabilidad del yacimiento. El entendimiento de la naturaleza y el comportamiento de los minerales arcillosos, as como la comprensin de los mecanismos de generacin de dao por finos es el objetivo planteado en la elaboracin de este documento. La caracterizacin de los minerales arcillosos presentes en el yacimiento, su distribucin y su posible interaccin con fluidos no originales, permite un desarrollo ms apropiado del yacimiento y evita crear dao a las propiedades petrofsicas del yacimiento.

18

1. GENERALIDADES

Este documento tiene especial inters en las arcillas presentes en areniscas almacenadoras de hidrocarburos. Las finas partculas de arcilla y los granos de la arena han estado asociados desde su gnesis a travs de procesos de transporte y depositacin de sedimentos. Los minerales arcillosos son partculas de tamao muy fino que se han depositado en espacios creados por los granos de la arena. Durante procesos diagenticos que alteran las rocas ya depositadas tambin se forman minerales arcillosos los cuales afectan la calidad de la roca yacimiento. Sin embargo, ste no es el principal mecanismo de dao a una formacin de arenisca que contenga hidrocarburos. El principal dao es causado durante operaciones de exploracin y produccin de crudo, en los cuales fluidos externos son introducidos a la formacin y alteran las condiciones fsico-qumicas originales bajo las cuales minerales arcillosos son estables. A lo largo de este documento se expondr el comportamiento y naturaleza de los minerales arcillosos para entender la ocurrencia de los mecanismos que generan dao al yacimiento debido a la alteracin de las arcillas en areniscas. Las arcillas han sido clasificadas en diferentes grupos segn su configuracin estructural, mineralgica y comportamiento fsico-qumico, las cuales son determinadas por el ambiente de depositacin y procesos de diagnesis 1. 1.1 ESTRUCTURAS BSICAS DE ARCILLAS Los minerales arcillosos son productos de la alteracin hidrotermal y atmosfrica de minerales primarios, cuyos residuos se han arreglado para formar un cuerpo mineralgico de propiedades coloidales cuyo tamao es menor a 2. Estas partculas son altamente diversas estructural y mineralgicamente dependiendo de

1 V. A. Drits. V. A. Drits. Structural and chemical heterogeneity of layer silicates and clay minerals. Moscow: Russian Academy of Sciences

19

las condiciones del ambiente de formacin as como de la fraccin de minerales asociados (cuarzo, feldespato, sulfatos, entre otros). Generalmente, los minerales arcillosos cconsisten en lminas de silicatos de hidrxilos unidas entre si para formar estructuras ms complejas de silicatos, siendo el ms variado grupo de silicatos que componen la Familia de los Filosilicatos. Los minerales arcillosos estn distribuidos como lminas tetrahedrales y octahedrales unidas, compartiendo iones para formar estructuras bidimensionales. Estas lminas son separadas por espacios interlaminares, donde se acomodan cationes hidratados, deshidratados o hidrxilos provenientes del fluido que los rodea. Las estructuras bsicas sobre las cuales se construye la red los minerales arcillosos son alteradas cuando fluidos de diferente composicin qumica son introducidos a la formacin y generan un medio iono-acuoso de diferente composicin al del fluido original con el cual la arcilla interacta. Si las condiciones fsicos-qumicas iniciales del fluido introducido son conservadas o moderadamente alteradas, los minerales secundarios estables (tales como las micas ) no presentan comportamientos coloidales; pero si estas condiciones son considerablemente alteradas, se generaran minerales secundarios que permiten la formacin de nuevos enlaces en el espacio interlaminar con cationes intercambiables provenientes del nuevo fluido. De esta manera se generan diferentes grupos de minerales arcillosos, como ocurre con las Vermiculitas. La estructura de los minerales arcillosos est formada por series de lminas ordenadas paralelamente. Las estructuras bsicas sobre las cuales se construye la red de minerales arcillosos son las siguientes: Lminas de tetrahedros de silicio, ligados por sus vrtices, Lminas de octahedros metal-oxgeno-hidrxilo ligados por sus aristas. Iones interlaminares. 1.1.1 Las lminas tetradricas. Estn constituidas por tetrahedros (TO4), donde T es un ion metlico, normalmente silicio (Si+4), que puede ser sustituido por otro ion metlico como Fe+3 o Al+3. El tetrahedro consiste en un ion de silicio bordeado de cuatro iones de oxgeno conservando configuracin tetrahedral.

20

Figura 1. Tamao del ion silicio y oxgeno Figura 2. Arreglo inico Si0 de estructura piramidal

Fuente: J.K. Mitchell, Fundamentals of Soil Behavior, John Wiley & Sons, Inc., New York (1976). El principio de coordinacin entre los iones de oxgeno y silicio para formar el tetrahedro est regido por dos factores: la carga elctrica y el radio atmico (Ver Figura 4). Idealmente el balance de cargas elctricas entre los iones podra ser satisfecho entre dos iones de oxgeno (cuya carga es X= -2) bordeando al ion de silicio (cuya carga es X= +4). Sin embargo, debido a la marcada diferencia entre los radios de oxgeno y silicio, el ion silcico es bordeado por cuatro iones de oxgeno, generando una estructura piramidal triangular denominada tetrahedro, el cual tiene exceso de carga negativa (Figura 1 y 2). La relacin de los tomos del tetraedro es SiO4. El tetrahedro consta de dos planos de oxgenos: el plano basal constituido por tres oxgenos, y el plano superior formado por el oxgeno apical. Los cationes se ubican en el plano intermedio. Los oxgenos ubicados en los vrtices bsales del tetrahedro son compartidos para formar Las Lminas tetrahedrales, como se muestra en la figura 1.3, quedando el oxgeno apical libre. La lmina tetrahedral describe anillos hexagonales, compuestos por seis tetrahedros, en los cuales los enlaces de los iones Si-O y O-O estn distanciados en 1.62A y 2.64A, respectivamente. Cuando el Al+3 altera la estructura del tetrahedro por remplazamiento de la mitad de iones de silicio, las dimensiones se incrementan a 1.77 A para el enlace Al-O, dado que el ion Al+3 es de mayor tamao. La frmula qumica de la red tetrahedral varia segn el nmero de tetrahedros que han sido unidos para formar la red. La figura 1.3 muestra una red de dos tetraedros cuyo arreglo estructural se describe con la frmula Si2O7-6

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La red tetrahedral tendr siempre carga negativa independiente al numero de iones de silicio, impidiendo que esta exista por si sola, a diferencia de la lmina octahedral.

Figura 3. Estructura de la lmina tetahedral Figura 4. Configuracin en red tetahedral en dos silicios en vista frontal Ion Silicio Ion Oxgeno

Figura 5. Configuracin de la red tetrahedral en vista areal.

Fuente: J.K. Mitchell, Fundamentals of Soil Behavior, John Wiley & Sons, Inc., New York (1976). El balance de la carga negativa del tetrahedro se logra a travs de enlaces con otros cationes provenientes de fluidos con el cual el mineral se halla en contacto. En el yacimiento, el mineral arcilloso entra en contacto con fluidos invasores provenientes del lodo de perforacin, fluidos de workover, estimulacin o fracturamiento. Estos fluidos contienen iones disueltos que interactan con los minerales arcillosos de la roca almacn y alteran la estructura cristalina del mineral. Los cationes que entran en la estructura del mineral con frecuencia son de menor tamao que los iones de oxgeno y similar al ion silicio, como Cl-, O-2, Na+, Ca+2, Mg+2, k+1. La figura 1.6 relaciona grficamente los tamaos de los iones ms comunes en los enlaces qumicos tetrahedrales.

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Figura 6. Iones sustituyentes al ion silicio en el tetrahedro

Fuente: Schmid Brian. Naturale and behavior of clay mineral. 2003

El balance cargas se logra tambin a travs de la asociacin de lminas tetrahedrales a lminas octahedrales en diferentes configuraciones, permitiendo la formacin de diferentes grupos de minerales arcillosos. 1.1.2 La lmina octahedral. Est formada por octahedros, los cuales consisten en dos planos de hexgonos empaquetados por iones de oxgeno o hidrxilo, encapsulando al catin que se encuentra en el centro del octahedro (Ver Figura 7). Los iones de oxgeno e hidrxilo son de similar tamao, y pueden sustituirse mutuamente sin alterar la configuracin del octaedro. Los cationes usualmente son Al+3, Mg+2, Fe+2 o Fe+3, y todos los elementos de transicin a excepcin de Li, Sc, Ca+2, Na+1, o K+1 los cuales son de radio mayor a los iones antes nombrados y presentan dificultades para ser empaquetados en el octahedro. Los enlaces entre los aniones tienen una distancia de 2.70A aproximadamente. La red de octahedros se forma por la unin de las aristas octahedrales (Ver Figura 8). A diferencia de la lmina tetrahedral, la lmina octahedral puede existir por si sola, porque sta puede balancear sus cargas elctricas internamente a travs de enlaces octahedrales. La Brucita Mg3(OH)6 y La Gibsita Al2(OH) 6, son los minerales arcillosos ms sencillos formados por la unin de octaedros. Estas especies se diferencian en la valencia del catin interno. Dependiendo de los cationes del fluido con el cual la arcilla se halla en contacto, sta estabilidad elctrica puede ser o no alterada y provocar sustituciones de Mg+2 por Al+3. Segn la valencia el catin octahedral las lminas octahedrales pueden ser:

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Lminas Trioctahedrales: cuando los iones de OH- y O-2 estn bordeando cationes divalentes, usualmente son iones Mg+2 or Fe+2; en este caso las tres posiciones de los octahedros sern ocupadas. El mineral formado por este arreglo se denomina Brucita Mg3(OH)6 . Figura 7 Unidad octahedrica. Figura 8 Red octahedrica

Fuente: Clay Minerals. Clay Minerals and Catin Exchange Capacity. University of Minnesota. 2000 Lminas Dioctahedrales: cuando los iones de OH- y O-2 estn bordeando cationes trivalentes, usualmente iones Al+3; en esta configuracin el balance de cargas elctricas se logra ocupando dos de las tres posiciones disponibles para los cationes, dejando una posicin libre. La Gibsita (Al2(OH) 6) es la estructura macroscpica para lminas dioctahedrales. La figura 9 muestra la configuracin de la red octahedral para cada uno de estos casos. 1.1.3 Los Iones interlaminares. Constituyen una estructura interlaminar acompaada o no de una capa de agua (iones hidratados) que se une al mineral para equilibrar su carga elctrica. Estos iones provienen del fluido con el cual la arcilla se halla en contacto. La cantidad y estabilidad de este intercambio inico depende de las condiciones fisicoqumicas del fluido como temperatura, pH, salinidad, composicin qumica que rigen el intercambio catinico de partculas slidas presente en el medio acuoso.

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Figura 9 Red octahedral trioctahedral y dioctahedral.

Fuente: DM Sherman, University of Bristol. 2001 1.2 ARREGLOS DE CAPAS QUE FORMAN LOS MINERALES ARCILLOSOS Las lminas tetrahedrales y octahedrales se combinan entre si para balancear sus cargas elctricas, su disposicin varia segn el medio acuoso y los cationes presentes en el fluido, los cuales determinan los diferentes grupos de minerales arcillosos a formar. La formacin de las capas o unin entre lminas octahedrales y tetrahedrales, es posible debido a la similitud entre las dimensiones de los enlaces O-O y OH-OH entre la red octadrica y tetradrica. Los tipos de capas de filosilicatos son: Arreglo de capa 1:1. sta es la combinacin ms sencilla de minerales arcillosos. Se describe como la unin de una lmina tetrahedral a una lmina octahedral. La lmina octahedral puede ser dioctahedral o trioctahedral (Ver Figura 10) de los cuales se derivar otra secuencia estructural para las arcillas. Este tipo de capa es llamado tambin T-O.

En esta lmina el oxgeno apical del tetrahedro es remplazado por dos de los tres hidrxilos del plano inferior de la red octahedrica.

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Figura 10 Tipo de capa 1:1

Fuente: V. A. DRITS. Structural and chemical heterogeneity of layer silicates and clay minerals.

Russian Academy de Sciences. Moscow, Russia.

La capa 1:1 consiste en tres planos de aniones (OH-, O-2) unidos a un plano de cationes y un plano de silicatos. Si la lmina octahedral se encuentra en la parte inferior, el primer plano de aniones esta compuesto de OH-, seguido por el plano de cationes octahedrales; el tercer plano es un plano mixto de OH- y O-2, este plano es el plano que une los octahedros y los tetrahedros para formar la estructura 1:1, el cual es seguido por el plano de silicatos y finalmente un plano de oxgenos, que son los oxgenos bsales provenientes de la lmina tetrahedral. Arreglo de capa 2:1. La mayora de minerales arcillosos conservan este tipo de capa a diferentes niveles de complejidad entre ellos. La estructura cristalina de la capa 2:1 consiste en dos lminas tetrahedrales unidas a una lmina octahedral, es similar al arreglo 1:1 y basta con adicionarle un tetrahedro invertido respecto al primero (Ver Figura 1.11), donde dos iones OH son remplazados por un ion O. Este arreglo es llamado tambin T-O-T, y est igualmente bordeado por otro T-O-T debido a las fuerzas de Van der Wals. Esta configuracin describe minerales del grupo de Talco-Pirofilita, y todos los grupo que de stos se derivan con algunas modificaciones en su espacio interlaminar, a excepcin de la Clorita. La unin entre las capas T-O-T pueden o no conservar un espacio interlaminar respecto a la siguiente lmina T-O-T dependiendo de las condiciones fisicoqumicas del fluido y la cantidad de carga negativa. Este espacio ser ocupado por una lmina de cationes hidratados, como ocurre en Micas, Esmectitas y Vermiculitas quienes cambian su volumen. Los minerales del grupo de las Micas se hinchan en menor grado que la Esmectita y Vermiculita. La configuracin de capas 2:1 consiste en cuatro planos de aniones y tres de cationes, dispuestos en el siguiente orden:

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Figura 11. Tipo de capa 1:2

Fuente: V. A. DRITS. Structural and chemical heterogeneity of layer silicates and clay minerals. Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia.

En la primera lmina se tiene el plano inferior oxgenos, seguido por un plano de silicatos, luego un plano mixto de oxgenos e hidrxilos, el cual une la primera lmina tetrahedral a la octahedral, seguido por cationes octahedrales (divalentes o trivalentes), luego un segundo plano mixto de oxgenos e hidrxilos, despus otro plano de silicatos y finalmente un plano de oxgenos. Arreglo de capa 2:2. Los minerales arcillosos ms mixtos encontrados en la naturaleza son conocidos como Cloritas. Esto tipo de arreglo se compone de una capa 2:1 unida a una lmina octahedral pero separadas entre si y de sus capas adyacentes por un amplio espacio interlaminar en el cual se logra la neutralidad elctrica. Las interacciones inicas de este grupo son complejas debido a las variadas cantidades de iones aluminio que puede ser sustituido por magnesio o silicio y a la qumica de enlace no selectiva respecto a los iones unidos a su estructura.

Figura 12. Tipo de capa 2:2

Fuente: DM Sherman, University of Bristol. 2001

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En sntesis, ante nuevas condiciones fsico-qumicas del fluido de formacin, los minerales de arreglo laminar 1:1 y 2:2 son los ms estables y los de arreglo 2:1 que mayor intercambio presentan. Sin embargo, ante drsticos cambios en el fluido todos los minerales pueden ser alterados. Normalmente los minerales de arreglo 2:2 presentan capa de agua e iones en su espacio interlaminar dependiendo de su carga negativa. 1.3 CARGA DE LAS CAPAS Los minerales arcillosos en su estado natural tienen carga elctrica negativa debido al desbalance elctrico en los enlaces entre cationes-aniones en cada unidad estructural tetrahedral y octahedral. El intercambio catinico surge como reaccin elctrica de la estructura para balancear su carga. Generalmente, en la sustitucin de cationes un ion es desplazado por otro de menor valencia (por ejemplo, en la lmina tetrahedral donde un ion Al+3 es sustituido por el ion Si+4). Algunos aspectos relativos a la neutralidad elctrica son los siguientes: Combinacin de redes tetrahedrales y octahedrales. Octahedros pueden tener carga elctrica neutra si todas sus posiciones

catinicas estn ocupadas (como se enuncio en la formacin de lminas dioctahedrales y trioctahedrales)

Cationes interlaminares pueden ser atrados a la superficie del mineral o

penetrar en su estructura. Formacin de la capa de agua. Por su parte, la Kaolinita es un mineral de carga neutra, sin embargo, si las condiciones del fluido son alteradas, su estructura puede ser destruida y migrar por el espacio poroso. En el siguiente captulo se discutir la clasificacin de los diferentes grupos de minerales arcillosos, los cuales son formados a partir de la alteracin de

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estructuras bsicas de estas especies como resultado de cambios en la naturaleza de condiciones hidrodinmicas en la formacin.

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2. CLASIFICACIN DE MINERALES ARCILLOSOS Como se enuncio en el captulo anterior, diferentes grupo de minerales arcillosos han sido clasificados segn sus propiedades. Los principales criterios de clasificacin son los siguientes: Tipo de combinacin interlaminar tetrehedral y octahedral (capas 1:1, 2:1 o 2:2) Tipo de catin octahedral (dioctahdrico, trioctahdrico) Carga elctrica de la capa (x) Tipo y naturaleza de iones interlaminares. Criterios secundarios empleados en la clasificacin de minerales arcillosos, son: Politipos (tipo de configuracin laminar) Composicin qumica Estos criterios pueden ser determinados por diferentes mtodos tales como Difraccin de Rayos X, Microscopa y Espectrometra Electrnica. Existen tambin mtodos de clasificacin ms generalizados como los texturales y petrogrficas. La integracin de estos mtodos ha permitido identificar y clasificar los grupos de minerales arcillosos, as como tambin condiciones y parmetros fsico-qumicos que rigen su comportamiento y formacin. Las arcillas han sido clasificadas en grupos conocidos como kaolinita, serpentinita, talco, pirofilita, micas, clorita. Las arcillas se encuentran tambin como minerales mixtos los cuales son productos de la asociacin de dos o ms capas de diferentes minerales arcillosos. La tabla 2.4 Formacin de minerales arcillosos y tabla 2.5 rbol genealgico de las arcillas, muestra esquemticamente la formacin de los grupos de minerales arcillosos a partir del intercambio inico.

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Existe un grupo de minerales asociados a las arcillas, los cuales modifican su comportamiento fsico-qumico original, que sern brevemente presentados posterior a la clasificacin de los minerales arcillosos. 2.1 CLASIFICACIN DE GRUPO DE SERPENTINITA-KAOLINITA Este es el grupo ms sencillo de minerales arcillosos formado por la unin de una red tetrahedral a una octahedral (capa 1:1), las cuales comparten una capa mixta de iones de oxgenos e hidrxilos (Ver Figura 13) y tienen carga elctrica neutra (x=0), esta unin es estable qumicamente, y no tienen capacidad de intercambio catinico por consiguiente stos son minerales no-expansibles. Sin embargo, dichos minerales generan problemas en areniscas productoras de hidrocarburos debido a migracin de finos a altas ratas de flujo los cuales taponan vas de flujo y reducen la permeabilidad (Ver Figura 28). Este grupo genera dos series de minerales arcillosos (dioctahedredrales y trioctahedrales) definidos por la configuracin de la red octahedral con la cual se inicia el intercambio catinico para formar la capa 1:1. Estas series inician con la Gibsita y la Brucita, las cuales tienen hidrxidos de Magnesio y Aluminio, respectivamente. Los minerales formados por sustituciones en la red trioctahedral son llamados

Serpentinitas, y los formados por sustituciones en red dioctahedral son llamados Kaolinita los

cuales tienen iones Mg+2 y Al+3 en sus octahedros Ver Cuadros 4 y 5 )

Figura 13. Grupo Serpentinita-Kaolinita.

Fuente: DM Sherman, University of Bristol. 2001

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SUBGRUPO KAOLINITA, Al2Si2 O5(OH) 4 Kaolinita es un derivado de la Gibsita, es estable, exceptuando algunas sustituciones de hierro para generar las siguientes especies: Kaolinita, Dickita y Nacrita. La Halloysita pertenece a esta grupo y a diferencia de los anteriores tiene una capa de molculas de agua entre cada lmina de estructura 1:1, su espaciamiento es aproximadamente 10 A. SUBGRUPO SERPENTINITA, Mg+3 Si2 O5(OH) 4. Serpentinita se forma por la sustitucin de Hierro y Aluminio por Magnesio en la Brucita (otras sustituciones menos comunes son Ni, Zn y Mn). Los miembros de este grupo difieren ligeramente en su configuracin estructural. Algunas de estas especies son las siguientes: Crisotila (lmina continua, estructura tubular de hbito fibroso, relativa al Asbesto), La Antigorita y Lizardita (especies de grano fino y apariencia modular. Otras menos frecuentes son: Amesita, Berierina, Greenaliana y Neupouita. La figura 14 muestra alguna de estas especies.

Figura 14. Fases de la Serpentinita

Fuente: J.K. Mitchell, Fundamentals of Soil Behavior, John Wiley and Sons. New York 1976.

2.2 CLASIFICACIN DE GRUPO TALCO PIROFILITA Estos minerales provienen del metamorfismo de rocas mficas, ultramficas o dolomitas y minerales hidrotermales. Es el grupo ms sencillo de los minerales con arreglo laminar 2:1.

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El Talco y la Pirofilita son formados adicionando un octahedro a la Kaolinita y Serpentinita (capa 1:1), con lo cual se remplazan dos iones OH- de la red octahedral por un ion O-2 tetrahedral para obtener una cadena trioctahedral Talco (Mg+3Si4 O10(OH) 2 ) una dioctahedral, Pirofilita (Al2Si4 O10(OH) 2) (Ver Figura 15).

Figura 15. Configuracin de Grupo Talco y Pirofilita.

Fuente: DM Sherman, University of Bristol. 2001 Este grupo de minerales tiene carga elctrica neutra x=0 porque la unin entre lminas octahedrales y tetrahedrales (tipo de capa 2:1) que lo forman ha balanceado su carga estructural. Adems, su espacio interlaminar es pequeo (oscila entre 9.2 y 9.4A), tiene baja capacidad de intercambio catinico y es no-expansible. Estos minerales son poco frecuentes en areniscas dada su baja capacidad de intercambio catinico. 2.3 CLASIFICACIN GRUPO DE LAS MICAS Las sustituciones que forman la capa 2:1 de las micas generan exceso de carga negativa en la superficie y atraen cationes interlaminares (especialmente cationes de potasio o sodio). Las micas tienen alta carga negativa (x=1-2), es decir, son altamente reactivas dependiendo del nivel de carga. Pueden atraer fuertemente cationes externos (Figura 16) y hacer que se adhieran a su superficie o cerca a ella, dejando poco espacio interlaminar (10A). Adems, se alteran con facilidad y pueden migrar y

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taponar los poros de la arenisca. Si durante el intercambio catinico las micas pierden sus iones monovalentes interlaminares, pueden ganar molculas de agua y convertirse en arcillas expansibles (Figura 17). Las especies de este grupo ms frecuentes en areniscas son la Illita, Biotita y Muscovita. Figura 16. Muscovita con catin Figura 17. Illita formada por adsorcin de mol monovalente en el espacio interlaminar. culas de agua en el espacio interlaminar

Fuente: DM Sherman, University of Bristol. 2001

Es grupo de las micas es muy variado debido a numerosas sustituciones inicas, y a iones interlaminares permitidos por su carga laminar. La formacin de las especies de este grupo obedece a dos principios: Principio estructural que sugiere la formacin de dos subgrupos de minerales

micceos: Micas dioctahedrales y trioctahedrales, las cuales son derivadas de los grupos de Pirofilita y Talco, respectivamente.

La procedencia de la carga del nuevo mineral puede ser octahedral o

tetrahedral, dependiendo de la red donde se ha dado la sustitucin catinica que origino la mica.

La frmula general que describe las micas es la siguiente: Mg3 Si3 AlO10 (OH) 2 K (K/Na/Ca)

Catin Octahedral Catin Tetrahedral Catin interlaminar

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Micas Trioctahedrales se derivan del Grupo Talco, su carga laminar es x=1. Sus principales especies son: Phlogopita Mg3Si3Al.O10(OH)2K, Biotita Mg3Si3Al.O10(OH)2K, Anita Fe3Si3AlO10K, Clintonita Mg3Al2Si2O10(OH)2Ca. Micas dioctahedrales se derivan del grupo Pirofilita, su carga laminar es x=1. La Muscovita y la Celadonita son las especies con mayor carga de las micas dioctahedrales y ms vulnerables a ser alteradas. Las principales especies de este grupo son: Muscovita, Al2Si3AlO10(OH)2K , de carcter similar a la Biotita, Paragonita Al2Si3O10(OH)2Na (similar a la Muscovita) Margarita Al2(Al2Si2O10)(OH)2Ca Celadonita Fe+3Si4O10(OH)2K Glauconita Si3Fe+3O10(OH)2K, tiene una de las menores cargas del grupo (x=0.8) Sericita: mineral de composicin y naturaleza similar a la Muscovita. Phengita: mineral de composicin similar a la Muscovita La Ilita es una mica de baja carga laminar X=0.70.9 y composicin es similar a la Muscovita. En areniscas genera problemas por expansin, contiene iones potasio interlaminares. Son los principales constituyentes de lodos y shales. 2.4 CLASIFICACIN DEL GRUPO DE VERMICULITA - ESMECTITA La Vermiculita, a diferencia de la Esmectita y Kaolinita no es formada por cristalizacin sino por remplazamiento selectivo de los iones sin destruir la estructura cristalina de la mica, adems contiene cationes divalentes o monovalentes que se hidratan en el espacio interlaminar.

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En el proceso de hidratacin intervienen dos diferentes fuerzas de atraccin, que son la fuerza de atraccin de la arcilla hacia el catin y la fuerza de atraccin del catin interlaminar hacia las molculas de agua. Donde la fuerza de atraccin del catin interlaminar debe ser mayor a la fuerza de atraccin del mineral para que se hidrate. La carga elctrica o fuerza de atraccin de la superficie del mineral determina el espacio interlaminar, donde a menor fuerza de atraccin habr mayor espacio interlaminar. Las Vermiculitas tienen menor carga elctrica (x=0.6-0.9) que las Micas (x=1.0) y mayor a la Esmectita (X=0.2-0.6). La carga laminar de las Vermiculitas y Esmectitas no son lo suficiente altas para fijar de manera permanente un catin interlaminar a su estructura o adherirlo a su superficie. De modo que cuando hay intercambio catinico, se forma un amplio espacio interlaminar entre un catin proveniente del medio acuoso y la superficie del mineral, permitiendo que la fuerza de atraccin del catin interlaminar hidrate las molculas de agua. Es as como se forman las arcillas expansibles. Lo anterior tambin explica porque este grupo tiene amplio espacio interlaminar. La Esmectita y laVermiculita tienen d=12-15A y 10-14.2A de espacio interlaminar. (Figura 18). Este grupo representan las arcillas con mayor capacidad de intercambio catinico, de hecho la Vermiculita tiene dos subgrupos: Vermiculitas Trioctahedrales, derivadas de la alteracion hidrotermal de la

biotita por oxidacin de hierro. Vermiculitas dioctahedrales, derivadas de la Illita o Muscovita o de la

neoformacin y de la clorita. La Esmectita es el mineral arcilloso ms expansible, su volumen vara debido a la hidratacin hasta 30%. Su alto grado de expansibilidad se debe a su extensa rea superficial y baja carga laminar que impide la unin permanente de cationes a la superficie y facilita su hidratacin. Su expansin depende tambin del tipo y concentracin de cationes interlaminares. Cationes monovalentes generan mayor expansin que los divalentes (Ver Figura 19).

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Figura 18. Subgrupo de la Vermiculita.

Fuente: DM Sherman, University of Bristol. 2001 La Esmectita y la Vermiculita son los minerales de mayor capacidad de intercambio catinico (CIC). Generalmente, en el espacio interlaminar un catin es remplazado por otro de menor valencia, por ejemplo si la Esmectita tiene Ca+2 y si la solucin que la rodea tiene Na+, entonces la mayora de Ca+2 sern remplazados por Na+, los cuales generan mayor expansin que los divalentes.

Figura 19. Subgrupo de la Esmectita

Fuente: DM Sherman, University of Bristol. 2001

As como las Micas, tambin la Esmectita se subdivide en dos subgrupos dependiendo de la procedencia de la carga laminar, stas son las siguientes: Saponitas: su carga laminar se debe a sustituciones en la red trioctahedral. Se

derivan de alteraciones del grupo Talco con algunas molculas de agua. Otras especies menos frecuentes son: Ferrosaponita, Estevensita, Hectorita, Sauconita y Medmontita (ricas en zinc y cobre, asociadas depsitos de oro

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sulfhdrico), Pimelita y Volkhonskita (ricas en Niquel y Cromo, asociadas a rocas de ambientes ultramficos). La siguiente es su expresin qumica generalizada:

Mg3 Si2.7 Al0.7O10 (OH) 2 )-0.3 M+0.38H2O

Posicin Octahedral osicin Tetrahedral Posicin Interlaminar Montmorillonitas: su carga laminar se debe a sustituciones en la red

Dioctahedral. Se derivan de alteraciones de la Pirofilita.

Su frmula qumica generalizada es la siguiente donde M es el catin interlaminar, el cual puede ser divalente o monovalente.

Al1.7Mg0.37Si4O10(OH)2)-0.3M+0.3, Generalmente, se le denominan Montmorilloniltas a: Esmectitas, lminas mixtas de Esmectita/Illita, lo cuales son minerales similares entre si; aunque no todos son sensibles al agua. La sensibilidad de estos minerales depende de la cantidad de sodio en posiciones intercambiables. La figura 20 muestra esquemticamente la distribucin de cargas elctricas de los minerales arcillosos ms importantes en areniscas. Ntese que el valor de la carga elctrica aumenta hacia la izquierda. En este esquema puede apreciarse que minerales de carga laminar neutra o muy altas tienen menor espaciamiento interlaminar, lo cual se explica de la siguiente manera: Minerales de baja carga laminar (X=0) tiene poco espacio interlaminar porque

la unin de lmina tetrahedral y octahedral para formar lminas de arreglo 1:1 es muy fuerte y su carga es balanceada.

Minerales de alta carga laminar (x=1-2) atraen fuertemente cationes

interlaminares y logran una unin ms intima entre este y el mineral. Minerales que tienen carga laminar dbil (X

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El Cuadro 1 y 2 contiene valores del rea superficial y la capacidad de intercambio catinico de los minerales arcillosos ms importantes en areniscas. Ntese que aquellos que los que tienen mayor rea superficial facilitan el intercambio catinico, es decir son qumicamente ms inestables y tienen mayor carga elctrica.

Figura 20. Distribucin de cargas elctricas en los grupos de minerales arcillosos

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Cuadro 1. rea superficial de minerales arcillosos Cuadro 2. Capacidad de intercambio de minerales arcillosos medida por Adsorsion de Nitrogeno.

2.5 CLASIFICACIN DEL GRUPO CLORITA Son minerales de lmina tipo 2:2 ricos en hierro. Formados por la unin de una lmina 2:1 (generalmente una mica trioctahedral) y una lmina de hidrxidos de carga positiva (Brucita o Gibsita), la cual es adsorbida para balancear su carga (Figura 21). En algunas ocasiones la formacin de la Clorita genera exceso de carga negativa, la cual es neutralizada por catines interlaminares y no por molculas de agua. Su carga laminar (x) es variable y difcil de determinar, aunque tericamente la Clorita no tiene carga laminar.

Figura 21. Configuracin de la Clorita

Fuente: geoclasroom.com. Modificado por Leon, 2006

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La Clorita es un mineral no-expandible. Sin embargo, la intercapa formada por la lmina octahedral es similar a la configuracin de la capa de agua de la Vermiculita y Esmectita. La carga de hidrxilos es mucho ms alta que la de la Vermiculita o Esmectita, lo cual le confiere estabilidad trmica. Estas dos estructuras estn separadas por una distancia aproximada de 14A. Su frmula estructural puede escribirse como una combinacin entre la frmula qumica de la lmina 2:1 y la octahedral o en forma general agrupando las dos estructuras:

[Mg3 (Si3 Al)O10 (OH) 2 ] -1 + [Mg2 Al(OH) 6 ] +1 = (Mg5 Al) (Si3 Al)O10 (OH) 8 Lmina 2:1 Lmina octahedral Clorita La caracterizacin de las cloritas, es difcil dado que la lmina 2:1 tiene carga octahedral y tambin la Clorita podra tener la misma carga. La frmula qumica de la Clorita tiene posiciones octahedrales e interlaminares lo cual dificulta establecer analticamente las posiciones estructurales que ocupan cada uno de los cationes. Algunas de las variedades de La Clorita son: Clinoclora (Mg-Al), Chamosita (Fe+2-Al), Nimita (Ni-Al) y Pennatita (Mn-Al). La Clorita tiene hbito laminar y pueden recubrir espacios y paredes porosas. Son altamente sensibles a cidos, los cuales la disuelven y liberan el hierro de su estructura que posteriormente es precipitado como hidrxido frrico. El hidrxido de hierro son partculas de gran tamao que taponan las vas de flujo. 2.6 CLASIFICACIN DEL GRUPO SEPIOLITA PALIGORSQUITA Las Sepiolitas son silicatos de magnesio hidratado derivados de la estructura del Talco. A diferencia de la mayora de minerales arcillosos, estos minerales tienen estructura fibrosa. Su estructura puede describirse como un arreglo de cinco objetos unidos por sus esquinas y uno en el centro de ellos formando canales abiertos, como se muestra en la figura 22. Estos minerales son poco comunes en la naturaleza.

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Figura 22. Estructura de la Sepiolita.

Fuente: The European Specialty Minerals Association. Modificado por Leon, 2006

La Sepiolita es un mineral no-expansible y no se desintegran cuando son saturados con lquidos, pero puede ser dispersada y destruida a altas ratas de flujo. Son estables en sistemas de altas concentraciones de sal que normalmente floculan otras arcillas. Las Sepiolitas tienen mayor rea superficial entre las arcillas (300m2/gr) lo cual explica su afinidad con el agua. Este tiene baja carga y capacidad de intercambio. Su frmula simplificada es: Mg8 Si12 O30 (OH)4(H2O) 4. M(H2O) 8 La Paligorskita, Mg2 Al2 Si8 O20 (OH)2 (H2O 4 .M (H2O)4, es otra importante especie de este grupo rica en aluminio, tambien llamada Atapulguita. Cuando el magnesio es remplazado por sodio se conoce como Loughlinita. Adems de los diferentes grupos en los que se han clasificado las arcillas, es frecuente encontrar en la naturaleza asociaciones de minerales, que ocurren porque la fuerza de atraccin entre lminas de un mismo mineral son menores que las fuerzas de traccin entre lminas de diferentes minerales. Este tipo de minerales se presentan a continuacin:

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2.7 MINERALES MIXTOS DE ARCILLA Los minerales mixtos o estratificados de arcilla puede ser cualquier combinacin de lminas individuales de arcilla apiladas formando capas de sin ningn orden preferencial (Ver Figura 23). La combinacin ms frecuente en areniscas es monmorillonita (o esmectita)/illita, clorita/monmorillonita entre otros. Su grado de expansibilidad depende de la cantidad de monmorillonita presente en el mineral mixto. Estas combinaciones pueden generar significante dao a la permeabilidad a travs de migracin y depositacin de finos y precipitacin de partculas coloidales. Estos minerales no han sido clasificados universalmente, sin embargo se ha establecido criterios para su diferenciacin, a saber: a. El tipo de lminas que participan b. El porcentaje de cada una de las lminas c. El tipo de arreglo, secuencia vertical de las lminas (regular, aleatoria, etc) Un ejemplo de la clasificacin de un mineral podra ser capa mixta de arreglo aleatoreo esmectita/illita con 10% de Illita, donde el componente ms abundante es nombrado primero. 2.7.1 Tipos de capas. Los arreglos laminares en capas mixtas son 1:1 y 2:1. Lminas individuales de estos minerales son difcilmente caracterizadas dado que en anlisis qumicos de una muestra se obtiene informacin promedio de sus componentes los cuales son similares entre si, su principal diferencia radica en su carga laminar, cationes y espacio interlaminar. La mayora de capas mixtas de minerales arcillosos en rocas sedimentarias estn compuestas por lminas 2:1.

La figura 23 ilustra capas 2:1 sealadas con trazos diagonales. Ntese que en este esquema el espacio interlaminar varia dependiendo del catin que contiene. Por ejemplo: Si contiene potasio podra ser una lmina de mica o illita con espaciamiento de

10A,

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Si contiene dos lminas de agua podra ser esmectita o vermiculia, y Si contiene una lmina de hidrxidos podra ser clorita; estos dos ltimos

tienen espaciamiento similar (~14A).

Figura 23. Lmina mixta de Esmectita/Illita

Los siguientes son algunos trminos usados para minerales con capas mixtas de micas e illita y pueden ser considerados sinnimos: mica/esmectita, illita/esmectita, mica/montmorillonita y illita/montmorillonita. En el Cuadro 3 se relacionan las diferentes asociaciones de minerales arcillosos. 2.7.2 Arreglo de las capas. En la figura 24 se muestran los diferentes arreglos de lminas frecuentes en minerales mixtos de arcilla. Los arreglos a y b, son importantes pero poco comunes, Los arreglos c y b describen el arreglo tpico de capas mixtas de arcillas.

Figura 24. Arreglo laminar de minerales arcillosos mixtos

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A continuacin se describen brevemente estos arreglos de capas de minerales mixtos ms frecuentes: a. nterestratificacin regular de dos componentes b. Segregacin entre cristales c. Laminacin mixta aleatoria d. Laminacin mixta regular a. nterestratificacin regular de dos componentes (Figura 24 a) este tipo de arreglo cada uno de los componentes est presente en proporciones similares. Los minerales de esta categora forman por un paquete de dos tipos de capas, con espaciamiento igual al espesor de las capas. Los minerales de esta categora tienen nombres especiales, los cuales se encuentran en el Cuadro 3. Algunos minerlogos estn en desacuerdo en llamar mixtos a estos minerales por su regularidad, dado que la clorita podra ser considerado un mineral mixto de capas regulares de Talco/Brucita. Otro arreglo altamente regular aun si las proporciones de las capas no son equivalentes es la secuencia ABBABBABBcon 33% de la capa A y 66% de B. Algunos de estos minerales no tiene suficiente regularidad para asignarles un nombre. b. Segregacin entre cristales (figura 24 b) este tipo de arreglo de capas mixtas se presenta cuando hay capas gruesas mismo tipo laminar, las cuales se combinan fsicamente. El nmero de capas se determina por Difraccin de Rayos X y puede variar considerablemente, incluso puede tener en las capas gruesas diez o ms espesores repetidos de la misma capa. c. Laminacin mixta aleatoria (figura 24 c) este tipo de interestratificacin es comn en la naturaleza dado que sus componentes son aleatoriamente combinados sin guardar ningn patrn. La probabilidad de ocurrencia de una lmina A seguida por A o B, o de B seguida por A o B, depende de la abundancia del mineral en el medio acuoso. Ejemplos de este arreglo es Illita/Esmectita que tienen menos del 50% de Illita. La Illita se presenta como illita separada conocida como Illita discreta y como componente de lminas mixtas Illita/Esmectita. Estos minerales son nombrados de la siguiente manera Illita-Esmectita aleatorias con 55% de Illita.

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c. Lminacin mixta regular, este tipo de estratificacin es muy comn en la naturaleza, puede ser ordenada en un esquema ABAB, aunque la proporcin de las lminas no es 1:1 y depende de la abundancia de las lminas. Por ejemplo, La probabilidad de B seguida por B o pares de BB es nula ante un exceso de la lmina A, pueden encontrarse pares o tros de A, pero no pares de B, como se observa en la figura 24 d. La combinacin Illita-Esmectita es comn ejemplo de este arreglo, tambin es llamado Rectorita o Allervardita o Tipo-IS. Otras combinaciones comunes son Glauconita/Esmectita y Clorita/Esmectita (Correncita) las cuales conservan los mismos criterios que la Illita/esmectita. Los minerales mixtos de arcilla presentan comportamientos y propiedades promedio de sus componentes, por consiguiente una arcilla discreta A puede desarrollar sensibilidad a condiciones bajo las cuales fue previamente estable si es asociada a otra arcilla B sensible a dichas condiciones. Como ejemplo la asociacin Clorita/Esmectita. El comportamiento de minerales arcillosos es afectado tambin por los minerales no arcillosos asociados a ellos a travs del medio acuoso, como se enuncia a continuacin. 2.8 MINERALES ASOCIADOS En la caracterizacin de arcillas se reconocen minerales no arcillosos asociados como la Gibsita, Hematina, Opal, Critobalita, Magnetita, Cuarzo entre otros. Estos minerales no tienen reflecciones caractersticas en los difractogramas de caracterizacin de arcillas, pero intervienen en las reflecciones de stas. Por ejemplo el cuarzo presenta refleccin de valor cercano al de la Illita, Vermiculita y Esmectita colapsada. En consecuencia, la interpretacin de estos diagramas puede ser confusa debido a la presencia de estos minerales o elementos qumicos. Sin embargo, el uso de tcnicas de caracterizacin ms avanzadas como anlisis por microscopia electrnica (Ver captulo 5) facilitan la identificacin de estos componentes.

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Algunos minerales arcillosos son inestables a pretratamientos al calor y pueden ser destruir o alterar xidos e hidrxidos de hierro y aluminio. La sensibilidad de las arcillas a estos tratamientos depende de su composicin Si/Al y del contenido de cationes divalentes, como en Zeolitas. Cuadro 3. Minerales Interestratifcados de ocurrencia natural

Fuente: Eslinger, 1988. Clay minerals for Petrroleum Geologists and Engineers

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Cuadro 4. Formacin de minerales arcillosos

Dioctahedral Triocaotehdral Gibsita Brucita

Al2 3)(3)(

OHOH

Mg3 3)(3)(

OHOH

Remplazamiento de dos (OH)- por un (Si2O5)-2 T-O Kaolinita Serpentina 1:1 Al2Si2O5(OH)4 Mg3Si2O5(OH)4 Remplazamiento de dos (OH)- por un (Si2O5)-2 T-O-T Pirofilita Talco 2:1 Al2Si4O10(OH)2 Mg3Si4O10(OH)2

Remplazamiento de Si+4 por Al+3, balance de cargas en la intercapa con catines mono/divalentes K+, Na+, Ca+2

Mica

Micas Dioctahedrales Micas Trioctahedrales Muscovita, Paragonita, Margarita, Phengita Biotita, Phlogopita, Anita, Clintonita Celadonita, Glauconita, Illita, Sericita

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Pirofilita Micas Dioctahedrales Micas Trioctahedrales Talco

Unin a lmina octahedral Gibsita o Brucita

Clorita

Susticticin catinica trioctahedral. Cation interlaminar divalente hidratado.

Susticiticin catinica dioctahedral.

Catin interlaminar divalente hidratado. Emectita Vermiculita trioctahedral Vermiculita Dioctahedral Sustituciones octahedrales/dioctahedrales. Catin interlaminar divalente. Sustituciones octahedrales y dioctahedrales Catin interlaminar divalente Saponita . Montmorillonita Paligorskita Unin de molculas de agua

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Cuadro.5. rbol genealgico de las arcillas

DIOCTAHEDRAL TRIOCTAHEDRAL

MICA

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MICA

Clorita

Vermiculita

Esmectita

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3. PROPIEDADES ELECTRO-QUMICAS DE LOS MINERALES ARCILLOSOS 3.1 IMPORTANCIA DEL CONOCIMIENTO DE LA NATURALEZA DE LAS ARCILLAS En este captulo se presenta una breve descripcin de las propiedades de las arcillosos, las cuales son alteradas por cambios en las condiciones fsico-qumicas de medio acuoso que rodea la arcilla. Estos parmetros a su vez son alterados por la presencia de nuevos fluidos en el medio poroso, los cuales generan inestabilidad catinica, resultando en cambios estructurales y morfolgicos en arcillas. Estos cambios afectan la calidad del yacimiento. La alteracin de la calidad de estas rocas es inevitable debido a la interaccin roca (arenisca-clay) con fluidos invasores a la formacin durante operacin de exploracin y produccin de hidrocarburos. De manera que la caracterizacin de la naturaleza y comportamiento fsico-qumico de arcillas permite evaluar y redisear programas de perforacin, completamiento y produccin acordes a las condiciones geolgicas del subsuelo. Los minerales arcillosos en su estado normal tienen exceso de carga elctrica negativa, lo que hace posible el intercambio catinico con los fluidos invasores a la formacin. Este intercambio altera o destruye la estructura cristalina del mineral arcilloso y genera nuevos productos cristalinos o amorfos que reducen el espacio poroso de la roca y bloquean vas de flujo debido a la expansin de las arcillas y formacin de partculas ms finas. Las interacciones roca-fluido en rocas sedimentarias pueden ser clasificadas en dos grupos: Reacciones qumicas debidas a la interaccin entre minerales arcillosos y

fluidos invasores a la formacin. Procesos fsicos relativos a altas ratas de flujo y gradientes de presin. Existen cinco factores que afectan la sensibilidad mineralgica de rocas sedimentarias.

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1. La composicin mineralgica y qumica del cristal, la cual determina el grado de disolucin, hinchamiento y precipitacin de minerales arcillosos. La composicin qumica de los fluidos invasores tambin es un factor importante en la generacin de dao a la formacin, porque determina la naturaleza de los cationes (carga elctrica, valencia, tamao, cantidad, otros) que son unidos al mineral y el tipo de alteracin que puede desencadenar. (Ver captulo 1 y figura 1.6 en cationes intercambiables)

2. El tamao del mineral, ya que la sensibilidad del mineral es proporcional al

rea superficial que entra en contacto con el fluido. 3. La morfologa del mineral es importante porque determina la forma y rea

superficial de la arcilla. 4. La abundancia del mineral define su sensibilidad a fluidos externos y a la

formacin de minerales mixtos de arcilla. 5. La localizacin de los minerales es importante desde el punto de vista de dao

a formacin. Los minerales autgenos son especialmente sensibles a ser alterados porque cubren paredes porosas y rellenan poros. Adems, estn expuestos directamente al contacto con nuevos fluidos en la formacin, los cuales generan inestabilidad catinica. Estos son fluidos de inyeccin, perforacin, estimulacin entre otros.

Tres grupos de minerales arcillosos han sido identificados como los que generan mayor dao a la formacin, estos son: 1. La Kaolinita (Ver Figura 10 y 13): aunque este mineral es qumicamente estable debido a su baja capacidad de intercambio catinico y es no-expansible, genera dao en la formacin porque es fcilmente destruida, dispersada, transportada y depositada en poros reduciendo la porosidad o en vas de flujo reduciendo la permeabilidad. 2. La Montmorillonita es un mineral (Figura. 19) de alta capacidad de intercambio catinico (90-150meq/100g, (Ver Cuadros 1 y 2) que adsorbe iones como iones Ca+2 y Na+, los cuales tienen de mayor radio que los iones Si+4 y destruyen el mineral generando partculas finas (Ver Figura 26 y 27). Adicionalmente, estos iones se expanden y taponan vas de flujo. La Montmorillonita sdica se expande en mayor grado que la Monmorillonita calcica, porque el Ca+2 es adsorbido ms fuertemente que los iones Na+

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permitiendo as conservar la estructura de la arcilla intacta, mientras que el sodio permite a las molculas de agua hidratar la arcilla (Ver Figura 25). Sin embargo, la alta concentracin de cationes de Na+ en soluciones acuosas evita el dao a la formacin por generacin de finos, ya que los iones Na+ tienen menor radio que los iones Ca+2. Los iones Na+ pueden entrar en la estructura de la arcilla sin destruirla (Ver Figura 26 y 27) a diferencia de los iones Ca+2. La Figura 26 muestra esquemticamente la alteracin de Montmorillonita debido al intercambio

Figura 25. Expansin de una Montmorillonita Sodica y una Calcica.

Fuente: Magcobr, 1972. Modificado por Leon. 2006

iones K+ por iones de mayor tamao. El catin de menor tamao (K+), puede entrar y salir sin destruir la estructura de la arcilla, a diferencia de cationes de mayor tamao como Na+ y Ca+, los cuales al ser unidos a la estructura cristalina de la arcilla rompen sus bordes y generan partculas finas que posteriormente migran y se depositan en los espacios porosos y taponando gargantas porosas (Ver Figura 27 y 28).

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Figura 26. Efecto del tamao del catin al entrar en la estructura cristalina de la arcilla. Fuente: Civan, 2000.

Figura 27. Generacin de partculas por rompimiento de los bordes de la estructura arcillosa por absorcin de cationes de mayor tamao. Fuente: Civan, 2000.Modificado por Len, 2006.

Figura 28. Mecanismo de alteracin de la Montmorillonita y propiedades petrofisicas de la roca

debido al intercambio ionico. Leon, 2006

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La figura 28 muestra el mecanismo de alteracin de la Montmorillonita que implica intercambio catinico, generacin de finos y taponamiento del espacio poroso. 3. La Illita es un mineral de baja carga laminar y gran rea superficial (X=0.70.9 y 113cm2/gr, ver captulo 2 Cuadro 1) muy inestable qumicamente. La illita es un mineral expansible que genera dao por dispersin e hinchamiento. La identificacin de estos minerales se ha logrado a partir numerosas evaluaciones y anlisis de formaciones alteradas por arcillas, los cuales han permitido desarrollar diferentes metodologas (Ver en captulo 5 mtodos de caracterizacin de arcillas) y tcnicas para evitar y mitigar el dao a formaciones productoras. Un adecuado estudio de caracterizacin de arcillas permite entender su naturaleza y propiedades fsico-qumicas, y consecuentemente predecir el comportamiento y afinidad con los fluidos que sern introducidos a la formacin, es decir permite extender la vida util del pozo y reducir costos de operacin. A continuacin se discuten las propiedades de minerales arcillosos ms importantes en la generacin de dao a la formacin. 3.2 PROPIEDADES FSICO-QUMICAS DE ARCILLAS 3.2.1 Carga laminar y pH de la solucin. La carga elctrica de los minerales arcillosos es importante porque es la propiedad que permite el intercambio catinico con el medio acuoso. Cada una de las unidades estructurales de la arcilla (lminas octahedrales y tetrahedrales) tienen su propia carga laminar las cuales se balancean entre si y es conocida como carga elctrica del mineral 2. Esta carga puede ser de dos tipos: carga estructural y superficial. 3.2.1.1 La carga estructural o permanente se derivada de sustituciones o imperfecciones isomrficas y usualmente es negativa. Estas sustituciones ocurren cuando iones en exceso presentes en el medio acuoso son intercambiados con iones de la arcilla, los cuales pueden o no alterar la forma del cristal dependiendo del tamao del nuevo ion proveniente del fluido. 2 ZLOTCHEVSKAIA, Robert. Electric surface effects in clays. Moscow : s.n., 1998.

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3.2.1.2 La carga superficial o dependiente del pH, es el segundo mecanismo de generacin de carga elctrica en la arcilla y es producto de reacciones qumicas que ocurren en la superficie del mineral. Este tipo de carga es controlada por el pH de la solucin y el rea superficial. Esta carga resulta de la hidrlisis que rompe cadenas de Si-O y Al-OH y generan iones O+2 y OH- para formar hidrxilos. La carga elctrica generada por hidrlisis puede ser positiva o negativa dependiendo de la estructura del silicato, pH y salinidad de la solucin. El control del pH de la solucin permite determinar La carga del punto cero (CPC), la cual es definida como el valor del pH al cual la carga elctrica del cristal o mineral es cero, es decir pH al cual el mineral es estable. La CPC es nica para cada mineral. La CPC es experimentalmente determinada construyendo una curva de pH vs. Concentracion de la solucin (Figura 29). La figura 3.5 indica que si un mineral est en su CPC y el pH es reducido, entonces la concentracin de H+ sobre la superficie del mineral ser mayor que la concentracin de OH-, lo cual generara carga elctrica positiva. Pero si para el mismo mineral, el pH se incrementa por encima del CPC, ste tendr carga elctrica negativa. Por ejemplo, la carga elctrica neta de la superficie de la Esmctica es negativa y permanente (estructural), por consiguiente para este mineral tendr CPC @ pH

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Valores de pH diferentes al CPC representan estados de inestabilidad inica en los cuales el mineral puede ser alterado, destruido y generar partculas finas que migran con los fluidos.

Figura 29. Curva experimental que describe el comportamiento del intercambio inico controlados por el pH de la solucin para determinar CPC del mineral. CPC es la interseccin de curvas para

diferentes concentraciones de solucin, en este caso NaCl.

Fuente. Eslinger 1988.

Como ejemplo, puede considerarse un fluido invasor de pH=5, que se filtra a travs de sedimentos que contienen cuarzo y kaolinita. Alli es posible plantear los siguientes escenarios (Ver Figura 30): Si el pH en ambos minerales es mayor al CPC, de modo que ambas

superficies tienen carga elctrica negativa, estos no se atraern mutuamente, es decir que en este caso no se generara dao a la formacin.

Pero si el pH es reducido a un valor menor a 2.5, la kaolinita tendr pH menor

a CPC y su carga elctrica ser positiva, de modo que la kaolinita atraer al cuarzo generando cementacin y reduccin del espacio poroso.

El CPC afecta tambin la cantidad de intercapas de agua que el mineral puede alojar y el rango de pH en el cual las suspensiones coloidales son formadas.

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Figura 30 Carga elctrica de la superficie desarrollada por pH relativo a ZPC

Fuente: Modificado de Eslinger, 1990 por Leon.

El CPC est asociado a la Teora de la capa doble difusa presentada a continuacin. 3.2.2 Teora de la capa doble difusa. Esta teora es un modelo que explica la interaccin de cationes intercambiables e interlaminares con molculas de agua cerca a la superficie de la arcilla. En medio acuoso los cationes adyacentes a la superficie de la arcilla tienen dos tipos de distribucin gobernada por las fuerzas de atraccin o carga elctrica de la arcilla y la salinidad de la solucin. Una parte de estos cationes son fuertemente atrados y unidos a la superficie

de la arcilla formando una capa de cationes adsorbidos, esta distribucin es conocida como el Modelo de Stern.

La otra parte de cationes en la solucin son dbilmente atrados a la superficie

de la arcilla formando una capa inica difusa como se muestra en la Figura 3.7, es decir que la concentracin de los cationes disociados decrece con la distancia desde la superficie de la arcilla.

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Figura 31. Modelo esquemtico de Stern que explica la teora de doble capa elctrica en la superficie de la arcilla en solucin acuosa.

Fuente: Andrewevich, A. 2000. Modificado por Leon, 2006.

De la misma manera una capa doble difusa es creada en la superficie porosa en areniscas debido a la interaccin inica. 3.2.3 Hidratacin de cationes. Los cationes en la capa difusa estn asociados a molculas de agua que los hidratan y aumentan su radio. El radio del catin hidratado depende de la densidad de la carga de la arcilla. La diferencia entre los radios hidratados no son proporcionales a los radios sin hidratar. Por ejemplo, un catin divalente tiene mayor radio al ser hidratado que un catin monovalente; aunque el radio del catin divalente sin hidratar es menor que el radio de uno monovalente.3 De modo que la cercana de las lminas de arcilla a los cationes de la solucin depende de la salinidad del agua, la temperatura, presin y del espacio ocupado por los cationes hidratados, lo cual es funcin del tipo de cationes presentes. Es decir, que en una serie de cationes dada, la absorcin preferencial de los cationes a la superficie del mineral es funcin de su radio hidratado, tenindose que a menor radio hidratado o menor carga elctrica del catin se localizara ms cerca a la superficie de la arcilla.

3 CLAY MINERALS. Clay Minerals and Catin Exchange Capacity. S.l. : University of Minnesota, 2000.

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3.2.4 Unin de cationes a la superficie del mineral. Un catin puede unirse permanentemente a la superficie de la arcilla cuando la carga negativa de la arcilla es suficientemente fuerte para adsorber el catin. El catin que ms fcilmente se deshidrata ser unido a la superficie de la arcilla, dado que la prdida de molculas de agua facilita su penetracin en la estructura de la arcilla para ocupar una posicin estructural. Si el catin ocupa una posicin estructural, este perder entonces su condicin de catin intercambiable porque ser unido permanentemente. El Cuadro 6 muestra las dimensiones de los radios para cationes hidratados y sin hidratar.

Cuadro 6. Radios cristalinos e hidratados.

Fuente: Gast, 1977.

3.2.5 Expansibilidad o hinchamiento de minerales arcillosos. Los minerales arcillosos presentes en una solucin acuosa cuya carga elctrica es positiva, expanden su volumen debido a la incorporacin de molculas de agua a la estructura de la arcilla. De igual manera el ndice de expansibilidad depende de varios factores tales como: La capacidad de intercambio catinico: ya que la magnitud de la carga elctrica

de la arcilla establece la facilidad con la que los iones estructurales son intercambiados por iones provenientes del medio acuoso que rodea el mineral.

El rea superficial de la arcilla favorece la capacidad de intercambio catinico y

el hinchamiento del mineral debido al rea de contacto. El tipo de cationes intercambiables, valencia y tamao.

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Composicin de la solucin invasora y mineral arcilloso. Propiedades cristalogrficas, temperatura, presin capilar y de inyeccion de

fluidos. Movimiento de fluidos en el medio poros y velocidades de flujo. El hinchamiento de la arcilla se presenta en dos formas: Hinchamiento cristalino, ste se presenta cuando la arcilla es expuesta a

soluciones acuosas o salmueras que contienen alta concentracin de cationes divalentes o multivalentes. Este hinchamiento es causado por la formacin de una capa de agua sobre la superficie de la arcilla. Este proceso genera hinchamiento y dao de menor grado que el hinchamiento por osmosis.

Hinchamiento por osmosis, ocurre cuando la arcilla es expuesta a soluciones

diluidas o soluciones con alto contenido de cationes de sodio, formando una capa difusa doble sobre su superficie. Este tipo de hinchamiento es causado por la formacin de la capa doble difusa sobre la superficie de la arcilla. La deformacin por este mecanismo es mayor que el generado por hinchamiento cristalino.

En el hinchamiento por smosis, la arcilla adsorbe molculas de agua lentamente en un ambiente controlado, permitiendo la formacin de capas discretas de agua en el espacio interlaminar. Este proceso puede continuar hasta formar una capa de cationes hidratados hasta 4 o ms molculas de agua. En este proceso la carga laminar de la arcilla es reducida a medida que aumenta el espacio ocupado por los cationes hidratados. La hidratacin es un mecanismo que balancea carga elctricas del mineral con la hidratacin e induce a la disociacin del mineral.

3.2.6. Defloculacin y dispersin. Son los procesos que describen unin o separacin de partculas arcillosas entre si, debido a cambios fsico-qumicos de la solucin que rodea el mineral. Dispersin es un trmino usado para describir la disociacin de partculas floculadas. De modo que los trminos floculacin y defloculacin y agregados y

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dispersin se refieren a diferentes geometras de asociacin de lminas arcillosas. Estas nuevas asociaciones se han categorizado en tres grupos:

Cara a Cara (CC), Cara a Borde (CB) y

Borde a Borde (BB).

Estas asociaciones afectan la viscosidad de la arcilla segn de la concentracin del mineral y la solucin electroltica formada por la interaccin del fluido de formacin y el invasor. La floculacin normalmente ocurre en soluciones de baja salinidad. A altas salinidades ocurren agregados, causando bajas viscosidades. La figura 32 se presenta esquemticamente los diferentes tipos de asociaciones en arcillas: Fig 3.8a. Dispersin y defloculacin sin orientacin preferencial. Fig 3.8b. Agregado y defloculado en asociacin Cara-Cara, agregacin

orientada o orientacin paralela. Fig 3.8c, d. Floculado sin dispersar en asociacin Borde-Borde. Fig 3.8e. Floculado y agregado en asociacin Cara-Borde. Fig 3.8f. Floculado y agregado en asociacin Borde-Borde. Fig 3.8g. Floculado y agregado en asociacin Borde-Borde y Cara -borde. Las diferentes asociaciones de la figura 32 afectan la viscosidad del medio acuoso al punto que puede coagularse. El trmino concentracin crtica de coagulacin (CCC) para sales es el mximo valor de la concentracin inica en la solucin, a la cual este fluido fluye, es decir, que a cualquier concentracin inica mayor a la CCC el fluido se coagulara. El CCC depende de la valencia de los cationes presentes en dicha solucin y decrece con el incremento de la valencia del catin y consecuentemente con la concentracin de cationes polivalentes en la solucin.

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Figura 32. Modelos de asociacin de partculas de arcilla en solucin.

Fuente: Ophen, 1977

Lo anterior sugiere que las sales que contienen cationes polivalentes ayudan a estabilizar la arcilla en areniscas y reduce el dao que stas generan dado que fortalece sus bordes. 3.2.7 Capacidad de intercambio catinico. La capacidad de intercambio catinico es una de las propiedades que ms vara entre los minerales arcillosos. sta depende del intercambio catinico y mide la concentracin de iones presentes en la capa difusa doble sin unirse a la estructura de la arcilla. Su medida est dada en miliequivalentes por 100 gramos de arcilla. Un miliequivanlente de un in es su peso dividido por su valencia. La capacidad de intercambio catinico esta regida por dos factores, ambos asociados a la carga negativa de las capas de los silicatos, estos son: la carga negativa generada por ruptura de enlaces en los bordes de la lmina y la carga negativa generada por los grupos de oxgenos o hidrxilos que a la superficie se unen, especialmente a altos pH. El rea superficial de la arcilla es un indicador de la capacidad de intercambio inico del mineral, dado que este proceso se realiza sobre su superficie, y son proporcionales. El conocimiento de la capacidad de intercambio catinico de minerales arcillosos es importante para reducir el dao a la formacin, porque de esta manera es posible preparar fluidos compatibles con los fluidos de la formacin.

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3.2.8 rea superficial. Las arcillas tiene volumen muy reducido en comparacin con su rea superficial, (Ver Figura 33) debido a su estructura intercristalina y hbito laminar con el que estos minerales se forman.

Figura 33. Comparacin en tamao de un cristal de cuarzo (izquierda) y un mineral de arcilla (derecha). Ntese que el volumen de la arcilla es muy pequea comparado con su rea superficial.

Fuente: Almon, Davis, 1978

El rea superficial de la arcilla es una propiedad importante que facilita el intercambio catinico, dado que es all donde ocurre el intercambio catinico e hidratacin. Figura 34. Modelo esquemtico que ilustra la superficie areal externa e interna de un mineral arcilloso.

Fuente: Eslinger, 1988. Modificado por Len

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Los minerales arcillosos tienen dos superficies areales: una interna y otra externa. La primera es la superficie laminar que enmarca el espacio interlaminar de la

arcilla y sobre ella se balancean las cargas con cationes interlaminares. La segunda, es la superficie externa del tetrahedro u octahedro, o de la lmina

de la arcilla que la separa de otra lmina de otro mineral (Ver Figura 34). El Cuadro 1 relaciona los valores de rea superficial de los minerales arcillosos ms importantes en areniscas. 3.3 FACTORES FSICO-QUMICOS QUE AFECTAN LAS PROPIEDADES DE MINERALES ARCILLOSOS Y GENERAN DAO A LA FORMACIN Durante la vida de un pozo las caractersticas y condiciones fsico-qumicas de los fluidos y la roca cambian, y pueden generar dao a la formacin. Algunas de las ms importantes son: distribucin del tamao de partcula y poros, fuerzas de movilizacin y retencin, concentracin de sal, velocidad de flujo de fluidos, presin de poro y temperatura. Cuando el dao ocurre en flujo multifsico, factores adicionales deben ser considerados, tales como: presencia de material orgnico, humectabilidad de la roca y partculas y presin capilar. A continuacin se enuncian como acta cada una de estas caractersticas y la importancia del control del pH, temperatura, presin y ratas de flujo el cual permite evitar y/o mitigar la generacin de dao por finos y extender la vida til del pozo y reducir costos de operacin. 3.3.1 La distribucin del tamao de partcula y poros. Es importante en procesos de dao a la formacin porque partculas de mayor tamao no pueden entrar o salir de un poro de tamao menor. Dentro del poro, partculas ms grandes que una garganta porosa dada quedaran atrapadas por exclusin cuando ellas fluyen en el medio poroso. Muchas partculas cuyo tamao en ms pequeo que el tamao de la garganta porosa pueden ser precipitadas en ella y dentro del poro. Partculas considerablemente ms pequeas que los poros y gargantas porosas pueden ser precipitadas en la superficie del poro debido a la accin de diferentes fuerzas de atraccin. Partculas previamente depositadas u

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originalmente unidas a la superficie porosa pueden ser liberadas cuando las fuerzas de atraccin son desbalanceadas. 3.3.2 Fuerzas de movilizacin y retencin. La retencin y movilizaron de partculas finas en el medio poroso est controlada por fuerzas entre partculas, fluidos y superficies porosas. Las principales fuerzas que actan son las de Van der Waals, doble capa elctrica, atraccin qumica, carga hidronmica y friccin. Estas fuerzas generan dao a la formacin dependiendo del tamao de partcula sobre la que actan. La fuerza hidrodinmica y de friccin controlan el dao a formacin generado por partculas de tamao mayor a 30 micrmetros; mientras que en partculas de menor tamao son dominantes las fuerzas de Van der Waals, elctricas y fuerzas de atraccin qumica en partculas muy finas (menores a 0.1micrometro). 3.3.3 Concentracin de sal. La concentracin de electrolitos en fluidos acuosos tiene un efecto significativo en partculas arcillosas, las cuales tienen carga negativa derivada de sustituciones isomrficas (como se explic en el captulo 2). Las superficies porosas estn similarmente cargadas y cuando entran en contacto con un fluido acuoso desarrollan una capa elctrica doble en su superficie (discutida en el captulo 3). La salinidad tiene un marcado efecto en formaciones sensibles al agua. Antes de ser inyectada agua fresca a la formacin, las cuales normalmente son sensibles al agua, el sistema roca-fluido se encuentra en equilibrio. Las partculas arcillosas estn adheridas a la superficie porosa en presencia del fluido original de la formacin (salmuera) por fuerzas de atraccin de Van der Waals y fuerzas de repulsin de doble capa difusa. En una salmuera de alta concentracin (o fluido original de la formacin), la capa difusa es delgada y la fuerza de repulsin en la capa difusa es menor que la fuerza de atraccin de Van der Waals, de modo que induce a la expansin de la arcilla y taponamiento de espacio poroso. A diferencia; cuando agua fresca es inyectada a la formacin, la salinidad del fluido in-situ disminuye, incrementando el espesor de la doble capa, la cual es expandida y la fuerzas de repulsin en la capa difusa. Por consiguiente, las partculas arcillosas no pueden ser sostenidas en la superficie porosa, siendo liberadas, transportadas y depositadas en los poros, obstruyendo el flujo y rediciendo la permeabilidad y porosidad. 3.3.4 Velocidades de flujo. Partculas finas dbilmente unidas a la superficie porosa pueden ser removidas por el movimiento de fluidos viscosos. En el flujo de estos fluidos existe una velocidad critica; velocidades menores a sta no ocurrir

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desprendimiento de finos de la superficie porosa y a velocidades mayores este ser proporcional a la velocidad de flujo. 3.3.5 Presin de poro. A lo largo de la produccin de petrleo e inyeccin de fluidos, la presin de poro es alterada e induce a cambios en la estructura de los poros y volumen poroso. Consecuentemente, altera drsticamente la permeabilidad, dado que sta depende de la forma y volumen de los poros. La porosidad es afectada por el cambio de presin de poro en menor grado que la permeabilidad dado que sta depende slo del volumen poroso interconectado. La deformacin de los poros depende slo del esfuerzo efectivo, que es la diferencia entre la presin de enterramiento y la presin de poro. 3.3.6 Temperatura. En muchas instancias, las operaciones de campo inducen a cambios en la temperatura de la formacin, la cual puede promover la expansin o contraccin de minerales en la formacin, es decir que ante cambio de temperatura la permeabilidad puede ser reducida o mejorada. En la literatura el efecto de la temperatura en las propiedades de la roca son an tema de discusin.

Por consiguiente, el control de la temperatura en operaciones de campo es un parmetro importante en la alteracin de minerales arcillosos. Este depende en gran parte del gradiente geotrmico de la cuenca. Operaciones de pozo promueven cambios en la temperatura, como ocurre en operaciones de waterflooding, disminuyendo; o aumentado, como en el caso de inyeccin de frentes de vapor calientes en el recobro terciario. La temperatura en la cara del pozo puede ser afectada tambin por operaciones de workover, como cuando se inyecta diesel u otros disolventes calientes para remover parafinas y asfaltenos. De modo que, el diseo de estas operaciones debe respetar los parmetros geolgicos iniciales, o considerar el posible cambio de las arcillas en la formacin a travs de la historia de produccin. 3.3.7 Presencia de material orgnico. Estudios realizados por Ohen Hukty, 4 enfocados a la evaluacin de la reduccin de permeabilidad comprobaron que la absorcin de componentes pesados del petrleo (asfltenos y resinas) en la

4 OHEN, Hukty. Predeciting skin effects due to formation damage by fines migration. Oklahoma : University of Oklahoma. Society of Petroleum Engineers, 1991.

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superficie porosa estabiliza las arcillas y previene la formacin de dao. De manera que, si el mecanismo de dao dominante en la formacin es por migracin de finos la presencia de crudo reduce su movilizacin debido al comportamiento coloidal. 3.3.8 Humectabilidad. El dao de formacin generado por cambio de la humectabilidad de la roca durante el moviendo de fluidos en sistemas multifsicos reduce la permeabilidad relativa del crudo. En la formacin una pelcula de la fase mojante (normalmente agua), es formada sobre la pared porosa poniendo en contacto partculas finas y arcilla (carga negativa y humectadas por agua) con el fluido que las hidrata y moviliza. Durante el flujo de fluidos, las saturaciones y el espesor de la pelcula humectante sobre la pared porosa cambia y la permeabilidad relativa al crudo. El fluido humectante es aquel que tiene mayor facilidad para llenar los poros ms pequeos de la roca, es el ms compatible con roca y con mayor dificultad es liberado de ella. Normalmente, las rocas son humectadas por agua,