Química de Arcillas

Bentonita de Wyoming

La buena!

Sólidos Perforados

Los malos!

Tres componentes Lodo base Agua

• Fase Líquida– incluye sólidos disueltos

• Sólidos inertes– Densificantes, calcáreos, etc..

• Sólidos reactivos– Bentonita comercial– Sólidos de perforación hidratables

Reciclado de la corteza

Efecto del tiempo sobre las rocas

Interior de la Tierra

Diagenesis / Paragenesis

• Diagénesis - Cambios físicos y químicos que ocurren en los sedimentos durante y después de la deposición hasta el tiempo de la consolidación

• Paragénesis - El orden en el cual los minerales y las rocas asociadas han sido formados, incluyendo sus interacciones por el contacto

• Las arcillas cambian bajo presión y temperatura.

• Smectita cambia a ilita y clorita

Química de la Tierra

• Ocho elementos forman más de 98% de la corteza terrestre. Entre ellos, el oxígeno y el silicio forman más de 70% Es por este motivo que la mayoría de los minerales contienen silicio y/u oxígeno.

Ocho Elementos más Comunes en Corteza Terrestre

• Oxígeno 46.6%

• Silicio 27.72

• Aluminio 8.13

• Hierro 5.00

• Magnesio 2.09

• Calcio 3.63

• Sodio 2.83

• Potasio 2.59

98.59

Arcilla es un término amplio que se usa comúnmente para describir los sedimentos,suelos o rocas compuestos de partículas minerales y materia orgánica de granosextremadamente finos. Un buen ejemplo son las arcillas (a veces llamadas arcillas tipo“gumbo” [arcillas plásticas]) encontradas en los jardines o a lo largo de las riberas. Estasarcillas son frecuentemente blandas y plásticas cuando están mojadas, pero se vuelvenduras cuando están secas. Esta propiedad física de “blanda cuando mojada, dura cuandoseca” se puede relacionar con la presencia de ciertos minerales arcillosos. Arcilla tambiénse usa como término general para describir las partículas que tienen un diámetro inferior a2 micrones, las cuales incluyen la mayoría de los minerales arcillosos.

Los minerales arcillosos son minerales de silicato alumínico de granos finos quetienen microestructuras bien definidas. En la clasificación mineralógica, los mineralesarcillosos están clasificados como silicatos estratificados porque la estructura dominantese compone de camas formadas por capas de sílice y alúmina. Cada capa consta de unaestructura laminar y delgada, llamada capa unitaria. Por ejemplo, un mineral de silicatoestratificado típico sería la mica o la vermiculita, las cuales pueden separarse en capasfinas a lo largo de los planos de clivaje. La mayoría de los minerales arcillosos tienen unamorfología laminar. Según las unidades repetidas de la estructura, los minerales arcillosostambién se pueden clasificar de acuerdo a la relación de capas de sílice a capas de alúmina,tal como 1:1, 2:1 y 2:2, además de si estos minerales arcillosos son estratificados o enforma de aguja

El término bentonita se usa para describir la montmorillonita sódica explotadacomercialmente (la cual constituye una forma de esmectita) que se usa como aditivo parael lodo de perforación (por ej.: M-I GEL o M-I GEL SUPREME™). Geológicamente, labentonita es una capa de ceniza volcánica alterada. Uno de los más grandes depósitos deesta ceniza volcánica se produjo hace más de 60 millones de años en cierta regiones deNorteamérica, conocidas hoy como las Black Hills de Wyoming y Dakota del Sur, y lasBig Horn Mountains de Wyoming. La arcilla bentonítica explotada en Wyoming provieneprecisamente de esta capa de bentonita depositada volcánicamente. La arcilla bentoníticaexplotada en otras áreas del mundo pueden provenir de otros tipos de depósitosgeológicos

Debido a sus pequeños tamaños de partículas, las arcillas y los minerales arcillososson analizados con técnicas especiales tales como la difracción de rayos X, la absorcióninfrarroja y la microscopia electrónica. La Capacidad de Intercambio Catiónico (CEC), laadsorción de agua y el área superficial son algunas de las propiedades de los mineralesarcillosos que suelen ser determinadas para lograr una mejor caracterización de losminerales arcillosos y minimizar los problemas de perforación

El primer tipo consta de arcillas en forma de aguja no hinchables como laatapulguita o la sepiolita

Debido a su forma y a sus características no hinchables, estas arcillas demuestran uncontrol de filtración muy débil. Por este motivo, la atapulguita se usa principalmente comomejorador de viscosidad en los lodos base agua salada, mientras que la sepiolita se usageneralmente como viscosificador suplementario para los fluidos geotérmicos y de altatemperatura. Estas arcillas no están casi nunca presentes en las lutitas de las formaciones.M-I vende la atapulguita bajo el nombre SALT GEL®‚

El segundo tipo son las arcillas laminares no hinchables (o ligeramente hinchables):ilita, clorita y kaolinita, las cuales están descritas más adelante.

El tercer tipo son las montmorillonitas laminares muy hinchables.El segundo y el tercer tipo de minerales arcillosos se encuentran en las lutitas de las

formaciones, en el orden siguiente y en cantidades decrecientes: (1) ilita, (2) clorita, (3)montmorillonita y (4) kaolinita. Como están presentes en las formaciones perforadas, estasarcillas se dispersan en cantidades variables dentro del sistema de fluido de perforación. Lamontmorillonita presente en las lutitas es generalmente la montmorillonita cálcica, porqueestá en equilibrio con el agua de la formación, la cual es generalmente rica en calcio.

La arcilla que existe naturalmente tiene una estructura apilada o estratificada, en lacual cada capa unitaria tiene un espesor de aproximadamente 10 angstroms (Å). Estosignifica que cada milímetro de espesor consta de aproximadamente un millón de capas dearcilla. Cada capa de arcillas es altamente flexible, muy fina, y tiene un área superficialenorme. Se puede considerar que una partícula individual de arcilla es algo parecido a unahoja de papel o un trozo de celofán. ¡Un gramo de montmorillonita sódica tiene un áreasuperficial de capa total de 8.073 pies2 (750m2)!

Propiedades físicas

• Microscópicas a submicroscópicas• Adsorben o pierden agua según la humedad• Plásticas cuando mojadas por agua• Se expanden cuando el agua llena los espacios entre las láminas

de silicatos• Gravedad específica variable según la cantidad de agua adsorbida• Dureza 1 a 3 • La mayoría formada por temporización• Raramente encontradas por separado, generalmente como mezcla

de arcillas y cristales microscópicos de otros minerales

La Figura 1 es una fotomicrografía real de una partícula de bentonita. Nótese que separece a una baraja de cartas abierta en abanico. Se puede observar que varias de laspartículas laminares se traslapan. Esta forma característica de las partículas es lo queproduce el llamado efecto de “cinglado” que es tan importante para el control de filtrado.

Las arcillas son generalmente del tipo de dos capas como la kaolinita o del tipo detres capas como la montmorillonita, la clorita o la ilita. Cada partícula de arcilla laminar secompone de un apilamiento de capas unitarias paralelas. Cada capa unitaria consta de unacombinación de hojas de sílice dispuestas tetraédricamente (en pirámide) y hojas dealúmina o magnesia dispuestas octaédricamente (ocho caras). Las arcillas de tres capas secomponen de capas unitarias constituidas por dos hojas tetraédricas de cada lado de unahoja octaédrica, en cierto modo como un emparedado (ver la Figura 2). Las arcillas de doscapas se componen de capas unitarias constituidas por una hoja tetraédrica y una hojaoctaédrica

Las arcillas pueden ser eléctricamente neutras o estar cargadas negativamente. Porejemplo, la pirofilita [Al2Si4O10 – (OH)2], una arcilla neutra, como aparece en la Figura 3,es similar a la montmorillonita cargada negativamente

ARCILLAS MONTMORILLONÍTICAS (ARCILLAS DE TRES CAPAS)Si se sustituye un átomo de aluminio (Al3+) por un solo átomo de magnesio (Mg2+) en laestructura reticular (disposición de los átomos), ésta tendrá un electrón excedente o unacarga negativa (ver la Figura 4). La carga negativa neta es compensada por la adsorciónde cationes (iones positivos) en las superficies de la capa unitaria, tanto en las superficiesinteriores como en las superficies exteriores del apilamiento.

Los cationes que se adsorben en las superficies de las capas unitarias pueden sercambiados por otros cationes y se llaman los cationes intercambiables de la arcilla. Lacantidad de cationes por peso unitario de la arcilla se mide y se registra como capacidadde intercambio catiónico (CEC). El catión puede ser un ion de simple carga como el sodio(Na+) o un ion de doble carga como el calcio (Ca2+) o el magnesio (Mg2+). De este modo,tenemos montmorillonita sódica, montmorillonita cálcica y/o montmorillonita magnésica.Aunque la bentonita de Wyoming esté generalmente definida como montmorillonitasódica, el calcio y el magnesio intercambiables pueden constituir de 35 a 67% de lacapacidad total de intercambio. La propiedad más típica de las montmorillonitas es lacapacidad de hinchamiento entre capas (hidratación) con el agua (ver las Figuras 5 y 6).

Depósito de bentonita en Dakota del Norte de 30 m de espesor

Grupo montmorillonita-smectita

• Minerales: pirofilita, talco, vermiculita, sauconita, nontronita, montmorillonita

• Fórmula: (Ca, Na, H)(Al, Mg, Fe, Zn)2(Si, Al)4O10(OH)2 - xH2O, donde x representa una cantidad variable de agua

• Capa de óxido/hidróxido de aluminio o magnesio entre dos capas de sílice

• Cantidad variable de agua entre los sandwiches

Además de la sustitución del aluminio (Al3+) por el magnesio (Mg2+) en la red demontmorillonita, muchas otras sustituciones pueden ser realizadas. Por lo tanto, el nombremontmorillonita se usa frecuentemente como nombre de grupo que incluye muchasestructuras minerales específicas. Sin embargo, en los últimos años, se ha aceptado cadavez más el nombre esmectita como nombre de grupo, reservando el términomontmorillonita para los miembros predominantemente aluminosos del grupo. Este grupode minerales incluye la montmorillonita, la hectorita, la saponita, la nontronita y otrosminerales específicos.

ILITAS (ARCILLAS DE TRES CAPAS)Las ilitas tienen la misma estructura básica que las montmorillonitas, pero no muestran lacapacidad de hinchamiento entre capas. En vez de la sustitución de Al3+ por Mg2+ como enla montmorillonita, la ilita tiene una sustitución de Si4+ por Al3+, lo cual aún produce unacarga negativa. Los cationes compensadores son principalmente el ion potasio (K+), comolo indica la Figura 6. La carga negativa neta de la red que resulta de estas sustituciones,mediante los iones potasio compensadores, es generalmente mayor que la carga de lamontmorillonita, pudiendo ser hasta una vez y media más grande que ésta.

El espacio entre las capas unitarias es de 2,8 Å. El diámetro iónico de K+ es de2,66 Å. Esto permite que el K+ encaje perfectamente entre las capas unitarias, formandoun enlace que impide el hinchamiento en la presencia de agua. Como las capas unitarias nose hinchan ni se separan al ser expuestas al agua, los iones potasio (K+) presentes entre lascapas unitarias no están disponibles para el intercambio. Sólo los iones potasio que seencuentran en las superficies exteriores pueden ser cambiados por otros cationes

Entre los minerales arcillosos 2:1, la esmectita, ilita, y capas mixtas de ilita yesmectita son encontradas durante la perforación de formaciones de lutita, causandofrecuentemente distintos problemas relacionados con la estabilidad del pozo y elmantenimiento del fluido de perforación. La naturaleza problemática de estos mineralesarcillosos puede estar relacionada con los cationes débilmente enlazados entre las capas ylas cargas débiles de las capas que producen el hinchamiento y la dispersión al entrar encontacto con el agua. A medida que la profundidad de entierro aumenta, la esmectita seconvierte gradualmente en arcillas de capas mixtas de ilita/esmectita, y finalmente en ilita ymica. Como resultado, las formaciones de lutita se vuelven generalmente menoshinchables pero más dispersivas en agua, a medida que la profundidad aumenta

Grupo mica o ilita

• Muscovita hidratada microscópicamente• Componente principal de las lutitas

• Fórmula general: (K, H)AL2(Si,Al)4O10(OH)2-xH2O, donde x representa una cantidad variable de agua

• Capa de aluminio entre dos capas de sílice• Cationes potasio en los planos basales• Agua (x) entre las capas (sandwiches)

CLORITAS (ARCILLAS DE TRES CAPAS)Las cloritas están estructuralmente relacionadas con las arcillas de tres capas. Las cloritasno se hinchan en su forma pura, pero puede hacerse que hinchen ligeramente al sermodificadas. En estas arcillas, los cationes compensadores de carga entre las capasunitarias de tipo montmorillonita son reemplazados por una capa de hidróxido demagnesio octaédrico, o brucita (ver la Figura 6). Esta capa tiene una carga positiva netadebido a la sustitución de ciertos Mg2+ por Al3+ en la capa de brucita.

Las cloritas se encuentran frecuentemente en antiguos sedimentos marinosenterrados a grandes profundidades, y normalmente no causan ningún problemaimportante a menos que estén presentes en grandes cantidades. La capacidad deintercambio catiónico de la clorita varía de 10 a 20 meq/100 g, principalmente debido a losenlaces rotos. La distancia entre capas del clorita suele ser de aproximadamente 14 Å. Laclorita también puede formar arcillas de capas mixtas con otros minerales arcillosos talescomo la esmectita. La arcilla resultante de capas mixtas tendría las propiedades de ambostipos de minerales arcillosos

Grupo clorita

• Minerales: Amesite, Baileychlore,Chamosite, Cookeite, Corundophilite, Daphnite, Delessite, Gonyerite, Nimite, Odinite, Orthochamosite, Penninite, Pannantite, Rhipidolite (prochlore), Sudoite, Thuringite

• The term chlorite is used to denote any mineral of this group when it is impossible to distinguish the specific mineral

KAOLINITAS (ARCILLAS DE DOS CAPAS)La kaolinita es una arcilla no hinchable cuyas capas unitarias están fuertemente ligadasmediante enlaces de hidrógeno. Esto impide la expansión de la partícula, porque el aguano es capaz de penetrar en las capas. La kaolinita no contiene cationes entre capas ni tienecargas superficiales porque no se produce casi ninguna sustitución en las hojas tetraédricasu octaédricas. Sin embargo, algunas pequeñas cargas pueden resultar de los enlaces rotoso las impurezas. Por lo tanto, la kaolinita tiene una capacidad de intercambio catiónicorelativamente baja (de 5 a 15 meq/100 g). La kaolinita se encuentra comúnmente comocomponente menor a moderado (5 a 20%) de las rocas sedimentarias tales como las lutitasy las areniscas.La Tabla 1 contiene un resumen de los minerales arcillosos y la Figura 6 presenta unacomparación esquemática de las diferentes estructuras de las arcillas.

Cristales de silicato en láminas

• Diámetro: ~1 micrón (1 millonésima de metro)• Espesor: ~10 Å (10 billionésima de metro)• Diámetro : Espesor : 1,000 : 1• Area superficial : Peso: ~800 m2 / gram or 540

acres/lb• Los cristales se depositan en cara a cara en los

agregados• Separación entre cristales 7 a 17 Å• En el plano basal predominan cargas negativas• En los bordes predominan cargas positivas

Capacidad de Intercambio catiónico (CEC)

Los cationes compensadores que se adsorben en la superficie de la capa unitaria puedenser cambiados por otros cationes y se llaman los cationes intercambiables de la arcilla. Lacantidad de cationes por peso unitario de la arcilla es medida y registrada como la CEC(capacidad de intercambio catiónico). La CEC está expresada en miliequivalentes por 100g de arcilla seca (meq/100 g). La CEC de la montmorillonita está comprendida dentro delrango de 80 a 150 meq/100 g de arcilla seca. La CEC de las ilitas y cloritas es deaproximadamente 10 a 40 meq/100 g, y la CEC de las kaolinitas es de aproximadamente 3a 10 meq/100 g de arcilla.

Para hacerse una idea de los cationes que reemplazarán a otros cationes en lasposiciones de intercambio, se acepta generalmente la siguiente secuencia, disponiéndola enorden de preferencia decreciente:

H+ > Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > NH4+ > Na+ > Li+

1. La fase acuosa es la fase continua del lodo. Según la ubicación y/o el agua disponible,ésta puede ser agua dulce, agua de mar, agua dura, agua blanda, etc. No es raro que seuse una variedad de soluciones de salmueras, saladas a saturadas como líquido de basepara preparar un sistema a base de agua.

2. La fase de sólidos reactivos se compone de arcillas comerciales, arcillas hidratablesincorporadas y lutitas de las formaciones perforadas que son mantenidas en suspensiónde la fase fluida. Estos sólidos son tratados químicamente para controlar laspropiedades del fluido de perforación. Varios aditivos serán usados para obtener laspropiedades deseadas.

3. Los sólidos inertes son los sólidos en suspensión que son químicamente inactivos.Éstos pueden ser sólidos de perforación inertes tales como la caliza, dolomita o arena.La barita es añadida al fluido de perforación para aumentar la densidad del fluido ytambién constituye un sólido inerte.

HIDRATACIÓN DE LAS ARCILLAS

El cristal de bentonita se compone de tres capas: una capa de alúmina con una capa desílice encima y otra debajo. La laminilla de arcilla está cargada negativamente y una nubede cationes está relacionada con ésta. Si un gran número de estos cationes son sodio, laarcilla será frecuentemente llamada montmorillonita sódica. Si los cationes sonprincipalmente calcio, la arcilla será llamada montmorillonita cálcica.

Según el número de cationes presentes, el espacio entre capas de la montmorillonita secaestará comprendido entre 9,8 (sodio) y 12,1 Å (calcio) y lleno de agua fuertemente ligada.Cuando la arcilla seca entra en contacto con agua dulce, el espacio entre capas se expandey la arcilla adsorbe una gran “envoltura” de agua. Estos dos fenómenos permiten que lasarcillas generen viscosidad

Como lo indica la Figura 7, las bentonitas a base de calcio sólo se expanden hasta 17 Å,mientras que la bentonita sódica se expande hasta 40 Å.

El espesor de la película de agua adsorbida es controlado por el tipo y la cantidad decationes asociados con la arcilla. El agua que se adsorbe en las grandes superficiesplanares contiene la mayor parte del agua total retenida por las arcillas hidratables. Loscationes divalentes como Ca2+ y Mg2+ aumentan la fuerza de atracción entre las laminillas,reduciendo así la cantidad de agua que se puede adsorber. Los cationes monovalentescomo Na+ producen una fuerza de atracción más débil, permitiendo que más agua penetreentre las laminillas

Estas propiedades coligativas son básicamente medidas de la reactividad de la arcilla.Como la CEC es fácil de medir, se trata de un método práctico para evaluar la reactividadde la arcilla o lutita. La CEC de la arcilla se puede medir mediante una valoración de azulde metileno. Para medir la CEC, se usa una solución de azul de metileno 0,01 N, demanera que el número de milímetros de solución de azul de metileno requeridos parallegar al punto final sea igual a meq/100 g.

el poder relativo de sustitución de un catión por otro está indicado por la siguientesecuencia:

H+ > Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > NH4+ > Na+ > Li+

Un catión puede servir de enlace para mantener unidas a las partículas del mineralarcilloso, lo cual reduce la hidratación. Los cationes multivalentes producen un enlace másfuerte entre las capas que los cationes monovalentes, lo cual resulta generalmente en laagregación de las partículas de arcilla. El potasio, un catión monovalente, constituye laexcepción de la regla.

. Los espacios dentro de las capas de montmorillonita cristalina son de 2,8 Å. Lospequeños iones, como el potasio, que encajan entre las capas de arcilla, sonintercambiados con mayor facilidad y de manera permanente. Además, los cationes queaumentan de tamaño al hidratarse extienden las distancias entre capas para estimular lahidratación de la arcilla. El calcio es un buen ejemplo, teniendo un diámetro hidratado de19,2 Å. El litio es otro ejemplo, teniendo tres moléculas de agua y un diámetro hidratadode 14,6 Å. Los cationes monovalentes que tienen grandes diámetros hidratados causan elmayor hinchamiento y la mayor dispersión. Los cationes multivalentes que tienenpequeños diámetros hidratados son los más inhibidore

Orden de reemplazo de intercambio de iones

• Litio

• Sodio

• Potassio

• Magnesio

• Calcio

• Alumino

• Hydrogen

Más fácil

Más difícil

POTASIO

1. Intercambio de iones2. Fijación de iones

cuanto más grande sea la relación de iones K a iones Na, más rápida será la velocidad deintercambio de K+ por Na+

En la Costa del Golfo, el contenido de esmectita de las lutitas y de los “gumbos” se derivade la meteorización de las rocas ígneas y metamórficas o de la esmectita sedimentariareciclada que se derivó a la larga de las rocas ígneas y metamórficas. Además, las arcillasesméctitas en el Golfo de México fueron sometidas a cierto grado de alteración medianteel proceso llamado diagénesis por entierro.

Esta alteración diagenética puede dividirse en una reacción de dos etapas. Laprimera etapa es la creación de esmectita con capa de alta carga mediante la sustitución desilicio por aluminio en la capa tetraédrica de la esmectita. Luego, la esmectita con capa dealta carga se convierte en ilita (en realidad, capas mixtas de ilita/esmectita) mediante lafijación de potasio. Esta fijación de potasio ocurre naturalmente, incluso cuando lasolución de poros tiene una alta relación de sodio a potasio

En algunas lutitas de tipo “gumbo”, las capas de esmectita con capa de alta cargacoexisten con las capas de esmectita con capa de baja carga. Las capas de esmectita concapa de baja carga no fijarán el potasio, y en los casos donde la concentración de potasioes considerablemente menor que la concentración de sodio, dichas capas se comportaránde conformidad con la teoría clásica de intercambio de iones. Por lo tanto, aumentando larelación de potasio a sodio en el lodo se ayudará a saturar las capas de esmectita con capade baja carga, con potasio y aumentará la estabilización de la lutita

Las partículas laminares finas y planas de arcilla tienen dos superficies diferentes. La caragrande o superficie planar está cargada negativamente y la superficie fina del borde estácargada positivamente donde se interrumpe la red y se expone la superficie del enlaceroto. Estas cargas eléctricas y los cationes intercambiables crean alrededor de laspartículas de arcilla un campo de fuerzas eléctricas que determina la manera en que dichaspartículas interactúan las unas con las otras. Si los iones intercambiables se disocian de lasuperficie de la arcilla, la fuerza repulsiva entre las láminas cargadas negativamente esgrande y las láminas se dispersarán, alejándose las unas de las otras

La agregación (enlace de cara a cara) resulta en la formación de láminas o paquetes másgruesos. Esto reduce el número de partículas y causa una reducción de la viscosidadplástica. La agregación puede ser causada por la introducción de cationes divalentes, talescomo Ca2+, en el fluido de perforación. Esto podría resultar de la adición de cal o yeso, ode la perforación de anhidrita o cemento. Después del aumento inicial, la viscosidaddisminuirá con el tiempo y la temperatura, hasta llegar a un valor inferior al valor inicial

Lámina de arcilla

m. 000,000,000,1010

Angstrom 10~ :Espesor

m. 000,000,12

micrones 2 < :Diámetro

La dispersión, reacción contraria a la agregación, resulta en un mayor número departículas y viscosidades plásticas más altas. Las laminillas de arcilla son normalmenteagregadas antes de ser hidratadas y cierta dispersión ocurre a medida que se hidratan. Elgrado de dispersión depende del contenido de electrolitos en el agua, del tiempo, de latemperatura, de los cationes intercambiables en la arcilla y de la concentración de arcilla.La dispersión es más importante cuando la salinidad es más baja, los tiempos más altos, lastemperaturas más altas y la dureza más baja. Incluso la bentonita de Wyoming no sedispersa totalmente en agua a la temperatura ambiente

Agregación

• Conjunto cara a cara o “grupo” de láminas de arcillas

• Estado natural de deposición de láminas tipo arcillas

• Número de lámina por agregado varía

Arcilla dispersa

• Lámina de arcillas están distribuidos al azar por cargas superficiales

• Los dispersantes aniónicos neutralizan las cargas positivas en los bordes de las láminas

Arcilla Floculada

• Aglomerado borde a cara

• Estado natural de las láminas de arcilla en agua

• Aumentado por contaminantes: sal, anhidrita, etc

La floculación se refiere a la asociación de borde a borde y/o borde a cara de laspartículas, resultando en la formación de una estructura similar a un “castillo de naipes”.Esto causa un aumento de la viscosidad, gelificación y filtrado. La severidad de esteaumento depende de las fuerzas que actúan sobre las partículas enlazadas y del número departículas disponibles para ser enlazadas. Cualquier cosa que aumenta las fuerzasrepulsivas entre las partículas o causa la contracción de la película de agua adsorbida, talcomo la adición de cationes divalentes o las temperaturas elevadas, puede fomentar lafloculación

La desfloculación es la disociación de las partículas floculadas. La adición de ciertosproductos químicos al lodo neutraliza las cargas electroquímicas en las arcillas. Estoelimina la atracción que resulta del enlace borde a borde y/o borde a cara entre laspartículas de arcilla. Como la desfloculación causa una reducción de la viscosidad, losproductos químicos desfloculantes son frecuentemente llamados diluyentes de lodo. Ladesfloculación también permite la disposición plana de las partículas de arcilla en elrevoque para reducir el filtrado

Unión hidrógeno del agua a la arcilla

- - - - - - - -H H H H H H

O O O

H H

O

Lámina de arcilla

+ +

H H

O

H H

O

H H

O

--HH

O

--HH

O

Hidratación de la arcilla

Efectos de la asociación de arcillas

• Agregación: Disminuye la Viscosidad

• Floculación: Aumenta la Viscosidad

• Dispersión: Aumenta la Viscosidad

Decantación de las lechadas de arcilla o dispersiones

• No se asentarán debido a:– Movimiento Browniano– Tamaño de partícula– Cargas negativas

• Se asentarán cuando están floculadas cuando los flóculso se vuelven más grandes

20 lb/bbl de bentonita (M-I GEL) para producir un lodo con una viscosidad de 15 cP. Porlo tanto, en base al gráfico, este lodo contendría 5,5% sólidos en peso, tendría unrendimiento de 100 bbl/tonelada, tendría 2,5% sólidos en volumen, y pesaría unas 8,6lb/gal

M-I GEL y M-I GEL SUPREME son bentonitas de Wyoming. La diferencia entre estas dosbentonitas es que la bentonita M-I Gel es tratada con muy pequeñas cantidades depolímero (peptizada) para aumentar su rendimiento, mientras que M-I GEL SUPREME esuna bentonita no tratada. M-I GEL cumple con la Especificación API 13A, Sección 4,especificaciones para “Bentonita”. M-I GEL SUPREME cumple con la Especificación API13A, Sección 5, especificaciones para “Bentonita No Tratada”. M-I también vendebentonita OCMA, la cual cumple con la Especificación API 13A, Sección 6,especificaciones para “Bentonita OCMA”.OCMA es la sigla de “Oil Companies Materials Association”.

M-I GEL (API Bentonite) (bentonita extendida o beneficiada

• La bentonita API es beneficiada o extendida para satisfacer las especificaciones API– Extendedores:

• Polímeros• Carbonato de sodio

• Limitaciones:– Extendedores se pueden degradar aalta temperatura (>300 F

or 150 C)

– Performance (Rendimiento) es difícil de predecir en sistemas poliméricos no dispersados y DRILPLEX

GEL SUPREME(Bentonita Natural o no tratada)

• Satisface las especificaciones API sin otro tratamiento que no sea molienda

• Use para alta temperatura

• Use sistemas poliméricos no dispersados y

DRILPLEX.

Especificaciones arcillas API

Especificaciones:

Bentonitasin tratar

Bentonitatratada

Atapulgita

Concentracion 25.0 lbs/bbl 22.5 lbs/bbl 20.0 lbs/bbl

Lectura600 rpm

30 min 30 min.

PV 10 cp min.

YP / PV 1.5 max. 3.0 max

Filtrado, cc. 12.5 max 15.0 max

Cuando el agua de preparación es salada, se puede usar SALT GEL (atapulguita) paralograr la viscosidad. La atapulguita es un mineral único. Su estructura cristalina es enforma de aguja, como lo indica la Figura 12. Su capacidad para aumentar la viscosidad esindependiente del agua de preparación. A la misma concentración, SALT GEL en cualquiertipo de agua produciría la misma viscosidad que M-I GEL en agua dulce. La capacidad deaumentar la viscosidad no depende de la hidratación, sino de la medida en que lospaquetes de agujas son sometidos al esfuerzo de corte. La viscosidad resultante es creadapor dos elementos:1. La formación de estructuras de escobillas amontonadas por los esfuerzos de corte.

Esto presenta una simple analogía con la agitación de paja en agua.2. Las fuerzas de atracción entre partículas, creadas por cargas de enlaces rotos enlos bordes de agujas rotos por los esfuerzos de corte.

(1) mayor costo,(2) falta de control de filtración debido a la forma de las partículas(3) características reológicas más difíciles de controlar

Atapulgita / M-I Salt Gel

• Cristales en forma de aguja

• No ayuda al control de filtración

• La Viscosidad se debe a la estructura de dispersión de los cristales como un pajar

• Requiere alto corte para dispersar

• No flocula en agua salada

• Evita inhalar el polvo. La estructura cristalina es similar al asbesto

Prehidratación de la Bentonita

• Remueva la Dureza total (Ca2++Mg2+) a menos de 100.0 mg/l

• Prehidrate en agua dulce (agua de perforación) cuando sea posible (Tanque de prehidratación)– Limpie el tanque para remover los dispersantes y productos

químicos antes de agregar el agua

– Agregue 30 - 35 ppb bentonita

– Agregue 0.25 to 0.5 ppb Soda cáustic

– Se puede agregar un dispersante para prehidratar la bentonita antes de agegar al sistema activo

Agregado de bentonita seca al sistema

• El rendimiento de la bentonita decrecerá en cualquier sistema inhibido– Polímero– Calcio (Cal o yeso)– Sal / Agua de mar– Glicol

• Prehidratación en agua dulce mejorará el rendimiento de la bentonita

aumento inicial de viscosidaddebido a la floculación causadapor la adición del catión divalenteCa2+. Esto, a su vez, causa laagregación de las partículas y unadisminución de la viscosidaddebido a la deshidratación y a lareducción del número departículas

la viscosidad de unasuspensión de bentonitaalcanza su punto más bajodentro del rango de pH de 7a 9,5. Esta es una de lasrazones por las cuales lamayoría de los fluidos deperforación a base de aguason utilizados dentro de esterango. Cuando el pH esmayor de 9,5, la dispersiónde la arcilla aumenta,incrementando la viscosidaddel fluido de perforación

Principios del Tratamiento Químico

1. Eliminando el contaminante mediante precipitación.2. Reduciendo los efectos del contaminante mediante la complejación del contaminado

(secuestro).3. Neutralizando la floculación mediante la satisfacción de las cargas catiónicas en las

partículas de arcilla.4. Encapsulando o formando una película protectora alrededor de la partícula de arcilla

FOSFATOS

Los dos fosfatos principales usados en el lodo de perforación son:1. Pirofosfato Ácido de Sodio (SAPP), pH de 4,8.2. Tetrafosfato de Sodio (STP o PHOS), pH de 8,0.

LIGNITO

El lignito de base usado para controlar la viscosidad es TANNATHIN® (pH 3,2). El lignitoes menos soluble a un pH bajo; por lo tanto, para que sea eficaz, el pH del lodo debe estarcomprendido dentro del rango alcalino o el lignito debe ser presolubilizado en una lechadade alto pH antes de ser añadido al sistema de lodo. En general se añade soda cáustica conlos aditivos de lignito de bajo pH. En la aplicación de campo, la relación de soda cáusticaa TANNATHIN variará de 1:6 a 1:2. La mejor manera de añadir las ligninas es a través de latolva de lodo. TANNATHIN es más eficaz en los sistemas de lodo que tienen valores de pHcomprendidos entre 9 y 10,5. CAUSTILIG® es un lignito caustizado que tiene un pH deaproximadamente 9,5. K-17™ es un lignito neutralizado con hidróxido de potasio quetiene un pH de aproximadamente 9,5

XP-20® (pH 10) es un lignito de cromo pre-reaccionado que se usa principalmente enconjunción con SPERSENE™ (lignosulfonato de cromo). Este producto complementa elrendimiento del Sistema de Lignosulfonato de Cromo de M-I (CLS o sistemaSPERSENE/XP-20). Como parte integrante del sistema de lodo SPERSENE/XP-20, XP-20actúa como estabilizador y emulsificante del fluido de perforación. Reduce el filtrado ycontribuye a las propiedades inhibidoras del lodo. Se trata del principal estabilizadortérmico en el sistema DURATHERM™ de alta temperatura. La aplicación de XP-20 no selimita a los sistemas de SPERSENE/XP-20 y DURATHERM, y este producto se puede usar enuna gran variedad de sistemas desfloculados a base de agua, para controlar el filtrado,diluir y aumentar la estabilidad térmica.

LIGNINAS

Las ligninas constituyen un grupo de productos similares al lignito y al lignosulfonato queprovienen de la corteza de árbol sometida a un tratamiento químico. QUEBRACHO es unamezcla de lignina/lignito diseñada para proporcionar funciones de dispersión y control defiltrado

LIGNOSULFONATOS

Los lignosulfonatos incluyen SPERSENE, un lignosulfonato de cromo; SPERSENE CF®, unlignosulfonato sin cromo; y SPERSENE I, un lignosulfonato de ferrocromo. Estos aditivosson materiales versátiles que tienen numerosas aplicaciones en muchos sistemasdesfloculados a base de agua. Estos materiales producen buenos resultados a todos losniveles de pH alcalino, pueden ser usados con altos niveles de sal y son eficaces en lapresencia de altos niveles de calcio

Lutitas: Definiciones • Lutita es un término genérico utilizado para describir rocas

sedimentarias ricas en arcillas. El término genérico correcto es roca roca arcillosa.arcillosa. Los demás términos utilizados para describir la lutita incluyen los siguientes términos: – Arcilla – Roca de arcilla – Roca de lodo– Argilita– Gumbo

• Las lutitas pueden ser masivas, intercaladas, fisionables, lodosas, hinchadas, dispersables, etc......

• Se estima que más de 75% de las perforaciones son realizadas en lutitas

Problemas de Perforación en Lutitas

La inestabilidad de las lutitas puede ser el resultado de : La inestabilidad de las lutitas puede ser el resultado de : • Problemas “mecánicos”

– Esfuerzos del suelo – Presión de poro – Anisotropía (e.g. estratificación)– Fracturas (naturales o inducidas por la perforación)– Invasión de filtrado (penetración de los poros)

• Problemas “químicos” – Interacciones químicas entre los minerales de la lutita y el filtrado

del lodo

Consecuencias de la Inestabilidad de las Lutitas

• Cierre del pozo – Ensanchamiento– Tubería atascada (en

formaciones móviles)

– Revestimiento atascado

– Dificultades de registro

• Ampliación del pozo – Tubería atascada debido a

derrumbes del pozo– Limpieza defectuosa del

pozo – Pérdida de control

direccional – Trabajos de cemento de

baja calidad – Dificultades con los

registros – Datos de registro de baja

calidad Se estima que los problemas relacionados con las lutitas le cuestan a la Se estima que los problemas relacionados con las lutitas le cuestan a la

industria más de 600 millones de dólares al año industria más de 600 millones de dólares al año

Clasificación de Lutitas

• Las lutitas pueden ser clasificados según : – Edad – Mineralogía – Dureza – Contenido de humedad – Tiempo de reacción con los fluidos de

perforación / modalidad de la falla del pozo– Profundidad / historial diagenético

Clasificación de Lutitas (Según Mondshine)

Clase Textura CECmeq/100g

Contenidode Agua

wt%

Peso de la Arcilla

%

Densidad gm/cc

A Blando 20-40 25-70 Smectita +illita

20-30 1.2-1.5

B Firme 10-20 15-25 Illita +nivelmixto

20-30 1.5-2.2

C Firme-duro 10-20 2-10 Illite + 20-30 2.3-2.7

D Duro 3-10 5-15 Illita +posiblesmectita

20-30 2.2-2.5

E Quebradizo 0-3 2-5 Illita, +kaolinita,clorita

5-30 2.5-2.7

Minerales de Arcilla

nivelmixto

Prueba de la Dispersión de recortes

Lodo de perforación

recortes de lutita

Barril con malla rotatoria

Condiciones típicas de la prueba : 20 - 30 gm de recortes de lutitas (2 - 4mm) Tiempo de prueba de 2 - 4 horas

prueba de dispersión de recortes Prueba de dispersión de “slake”

Recuperación de recortes (%)

Comparación de Pruebas de Dispersión de recortes

0 20 40 60 80 100

Agua marina

Gyp / agua marina

KCl

KCl/PHPA

Lodo de aceite

Prueba de Dureza de los recortes

0

5

10

15

20

25

30

0 5 10 15 20

Mud A Mud B Mud C

Llave de torque

recortes

Número de vueltas en la llave de torque

Torque (Nm)

Reacciones entre las Lutitas y el Lodo

• Invasión del fluido de perforación dentro de la lutita

= pV + RTln(am/as)

– Efecto del hiperbalance del lodo – Procesos osmóticos – Cambios efectivos de esfuerzo (penetración de la

presión de poro)

• Reacciones de hinchazón, resultado de la invasión del filtrado

• Dispersión y erosión del pozo y los recortes

El proceso de reacción puede ser tomado en consideración El proceso de reacción puede ser tomado en consideración en 3 etapas: en 3 etapas:

Inhibición de Lutitas por Lodos con Base de Aceite

• Se ha visto que los lodos con base de aceite producen una barrera osmótica en la superficie de la lutita

• La barrera restringe en gran medida el movimiento de los iones entre el lodo y la lutita

• La barrera (alto valor ) permite el control de la invasión mediante el uso de una salinidad apropiada de los lodos:

= pV + RTln(am/as)• El sobrebalance del lodo (p) es de una importancia secundaria

como un propulsor para la invasión en el caso de los lodos con base de aceite

Inhibición de Lutitas por Lodos Base de Agua • Los lodos con base de agua comunes no producen una barrera osmótica en la

superficie de la lutita (investigaciones en SCR y en otros lugares han identificado los sistemas de lodo que, en un futuro, podrán funcionar de esta manera)

• El movimiento de iones entre el lodo y las lutitas no se encuentra restringido (el valor se encuentra cerca de cero)

• La invasión está controlada por p, y no el equilibrio salino:

= pV + RTln(am/as)

• Por ende, la invasión se ve minimizada en un nivel p bajo (debe haber suficiente sobrebalance a fin de mantener la integridad del pozo y el control del pozo)

Invasión de Filtrado Base de Agua • Los aditivos de pérdida de fluido convencionales no prevendrán la

invasión de la lutita por el filtrado ( a no ser que estén presentes vetas o fracturas de alta permeabilidad)

• El filtrado viscosificado hará que la invasión sea más lenta, pero no la detendrá por completo

• El filtrado aumentará la presión de poro en la lutita cercano al pozo (penetración de la presión de poro)

• El aumento de la presión de poro reducirá el esfuerzo efectivo y tal vez cause una falla (derrumbe o flujo plástico)

• La hinchazón de las lutitas y/o la dispersión podrá ocurrir si el potencial químico del filtrado difiere del potencial químico del fluido de los poros

Inhibición de las Lutitas por Lodos Base de Agua

• Debido a que los lodos con base de agua utilizados hoy en día no previenen la invasión por parte de los filtrados, los lodos son formulados de manera que reducen a un nivel mínimo:

– La hinchazón de lutitas / acumulación de esfuerzo

– Reblandecimiento y dispersión de las lutitas

• La hinchazón y la acumulación de esfuerzo depende de los siguientes factores: – Mineralogía de la lutita

– Estructura de las lutitas

– Composición de los poros del fluido

– Composición del filtrado

– Contenido de humedad de la lutita

– Presión diferencial

– Régimen de esfuerzo • Las lutitas con poco o nada de smectita pueden llegar a hincharse,

especialmente si el pozo se encuentra compactado y posee un bajo contenido de agua

Control de la Hinchazón y Acumulación de Esfuerzo

Control de la Hinchazón y de la Acumulación de Esfuerzo

• Ciertos cationes inorgánicos limitan la hinchazón al entrar en reacciones de intercambio de cationes con arcillas que se están hinchando, a fin de formar complejos más estables: – Potasio (cloruro, acetato, formato) – Calcio (yeso, cal) – Aluminio (aluminio complejo - ej. Alplex de BHI)– Cesio (parecido al potasio en cuanto al desempeño pero con un costo más elevado) – Amonio (parecido al potasio en cuanto al desempeño, pero puede llegar a producir

amonio libre) • Polímeros con bajo peso molecular:

– Glicoles – Polímeros cationicos

Control del Ablandamiento y la Dispersión

• El reblandecimiento y la dispersión son controlados por: – La cementación de la lutita – El comportamiento de la hinchazón (a veces relacionada, pero no siempre) – Contenido de humedad (Límites de Atterburg)– La hidráulica del lodo

• El reblandecimiento y la dispersión pueden ser disminuidos por: – Suficiente salinidad del filtrado para mantener floculados a los minerales de la arcilla (la

composición de la sal no es crítica) – Sales epecíficas (ej. potasio) si las lutitas también se hinchan – Polímeros pequeños (ej. glicoles, cationicos)– Polímeros con altos pesos moleculares (ej. PHPA)– Hidráulica optimizada del lodo

Mecanismos Comunes de Fallas• Las lutitas problemáticas contienen fracturas

naturales y / o fracturas inducidas por la perforación

• El lodo invade, aumentando la presión dentro de las fracturas, igualándola a aquella dentro del pozo. Puede ser que la presión no se disipe rápidamente debido a la baja permeabilidad de la formación.

• La matriz de la lutita podrá o no ser químicamente reactiva

• La actividad de perforación causa el colapso del pozo debido al efecto combinado del impacto mecánico de la sarta & BHA y las fluctuaciones de la presión en el pozo

Invasión del Lodo en Formaciones de Lutitas Fracturadas

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .pozo

Formaciones Fracturadas

Indicaciones de las Observaciones del Campo

• El uso de OBM o WBM inhibitivos podrá no otorgar una mejora significativa en la calidad del pozo. En estos casos, la inhibición química del pozo parece no ser el factor más crítico.

• La estabilidad puede ser mejorada:– Al no abrir fracturas nuevas (compromiso: los requisitos de

peso de lodo para la estabilidad de los pozos de perforación vs. la generación de fracturas nuevas)

– Con la reducción del aumento de la presión en las fracturas mediante el uso de pesos de lodo mínimos y el control de la pérdida de fluido

– Sellando las fracturas con aditivos específicos de lodo – Minimizando los disturbios del pozo debido a (ej.)

ensanchamiento posterior – Minimizando los efectos de “swab” y “surge”, mediante el

control de los viajes y la reología del lodo

Características Sugeridas de los Lodos Base

• Buenas características de limpieza del pozo

• Perfil reológico que disminuye a un mínimo los efectos ECD

• Geles rápidos, altos, no progresivos

• Bajo nivel de pérdida de fluido

• Presencia de materiales de bloqueo / taponamiento

• Provisión a cualquier inhibición química necesaria

Algunas Formulaciones Recomendadas de Lodos Base

• Lodo con Base de Agua de Oxido de Metal Mezclado (Drillplex)

– Perfil reológico preferido – Con el aditivo Floplex se puede obtener una baja

pérdida de fluido – Las evidencias del campo sugieren que el lodo

controla las pérdidas dentro de las fracturas

• Lodos Alternativos – WBM con una alta concentración de goma

Xantana – OBM completamente de aceite

Requisitos para Aditivos de Lodo para un Bloqueo de Fracturas Efectivo

• Los aditivos deben prevenir la invasión de fluidos dentro de las fracturas pequeñas (ej. deben reducir en gran medida el chorro (spurt)de lodo).

• El aditivo debe estar presente permanentemente en el lodo, y no ser utilizado como un tratamiento temporal (de píldora).

• Los aditivos deben :

– Ser lo suficientemente grandes como para cubrir las aperturas de las fracturas

– Ser lo suficientemente pequeños como para pasar a través de los equipos primarios de control de los sólidos

– Tener un tamaño correcto a fin de disminuir a un mínimo los efectos de la reología del lodo

– Implicar la preferencia por las partículas altamente anisotrópicas

Otros Aditivos para el Control de Lutitas Fracturadas

• Aditivos de taponamiento – Polímeros– Gilsonita– Asfaltos – Ceras – Bentonita

• Aditivos “reactivos”:– Silicatos– Fosfatos

Fluidos de Perforación: Estudios de Casos de Estabilidad de Lutitas

• Datos disponibles de revisión – Geología local /de cuenca – Informes de perforación & lodo de pozos “offset” – Datos de los registros de pozos “offset” – Resultados de pruebas de esquistos / lodos realizados por terceros – Información proveniente de otros clientes y contratistas

• Caracterización de las lutitas • Estudio de laboratorio de las interacciones entre el esquisto y el lodo

– Núcleo – Núcleo lateral – recortes

• Respuesta recomendada – Formulación(es) preferida(as) de lodo– Directrices de ingeniería de perforación & lodo

• Implementación de la solución, seguimiento del éxito y modificar según las necesidades

Inestabilidad de Lutitas: Soluciones

• Determinar las causas de la inestabilidad – Esfuerzos del suelo – presión de poro – Microfracturas

• naturales• inducidas por la perforación

– Reactividad química

• Identificar e implementar las formulaciones apropiadas de lodo, así como las prácticas de ingeniería de lodo y perforación

Inestabilidad de Lutitas: Soluciones

• Esfuerzos del Suelo

– Controlar mediante el peso del lodo, ángulo del pozo, azimut del pozo

• presión de poro

– Control mediante el peso del lodo

• Lutitas microfracturados

– Control mediante la reología de los lodos, la hidráulica y el uso de aditivos para el bloqueo y sellado de las fracturas

• Reactividad química

– Determinar la naturaleza de la reactividad y controlarla mediante la formulación del lodo (y la hidráulica)

Las soluciones podrán ser sólo parciales, así como limitadas por otras

consideraciones, ej. el pegamento diferencial, la perdida de circulación y

limitaciones ambientales.