ENSAYO N°1 - PREPARACIÓN DEL LODO Y DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD 1.1 OBJETIVO Aprender a preparar y dosificar un lodo para obtener una densidad teórica o deseada a partir de requerimientos experimentales, así como el de aprender a utilizar y calibrar la balanza de lodo para determinar la densidad de un fluido de perforación. 1.2 FUNDAMENTO TEÓRICO Para la preparación de un lodo base agua en laboratorio se debe tener un volumen de agua al que se va a añadir una cierta cantidad de arcilla. Para obtener una “densidad deseada” es necesario calcular tanto la masa de bentonita como el volumen de agua exactos que se requieren para alcanzar este objetivo. 1.2.1 Balance de Materia El lodo es un fluido sumamente homogéneo compuesto de diferentes sustancias. Se puede considerar que su peso por unidad de volumen, depende del peso del líquido y el peso de las partículas en suspensión.
BENTONITA
AGUA
FLUIDO DE PERFORACIÓN
Realizando un análisis de balance de materia:
Se conoce que:
Entonces se tiene:
Asumiendo volúmenes aditivos:
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1
Con esta consideración se obtiene: ( (
) )
(
)
(
(
) (
) )
(
( )
)
Ejemplo.- Preparar un lodo base agua con un volumen total de 800 buscando una densidad de 1.031 donde la densidad de la bentonita a utilizar es de 2.3 con los siguientes datos: = 2.3
,
= 1.0 = 1.031
, ,
,
:
Se refieren al compuesto sólido (Bentonita)
,
: Se refieren a la base líquida (agua)
,
:
Se refieren a la mezcla total (lodo)
Reemplazando los datos en la ecuación (1) se tiene: ( (
)
( ⁄
)
(
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)
)
2
1.2.2 Incremento de la Densidad La densidad de las arcillas ordinarias varía entre 2.0 y 2.8 y la arcilla sola puede aumentar la densidad del agua desde 1.0 hasta aproximadamente 1.3 ; en el caso de una mayor densidad se deben utilizar materiales inertes de mayor gravedad especifica que proporcionen al lodo mayor peso. Frecuentemente es necesario elevar la densidad del lodo según las operaciones que se estén realizando para controlar el pozo, en general se usa baritina como material “densificante” para aumentar la densidad del lodo de perforación, también se utilizan otros materiales inertes como: Material Densificante Composición Densidad ( ) Baritina 4.2 Hematina 5.2 Siderita 5.8 Galena 7.5 La baritina es el agente densificante de mayor importancia en los lodos, es un mineral de sulfato de bario que se encuentra en la naturaleza como tal, su peso específico es de 4.2 a 4.5 lo que lo hace mucho más denso que la mayoría de los sólidos de perforación. Las especificaciones API para la baritina requieren un peso no menor a 4.2 y que al menos un 5% debe quedar retenida en un cedazo de malla N° 325 y no más del 3% debe quedar retenida en un cedazo de malla N° 200 en un ensayo de granulometría húmeda. Como sustituto de la baritina en algunos casos se emplean sales solubles, la ventaja de las sales solubles como agentes densificantes es que aumentan la de densidad sin aumentar el contenido de solidos del lodo, sin embargo, debe tenerse en cuenta los efectos de estas sobre las propiedades del lodo. A veces la densidad deseada se consigue con una combinación de sales y otros agentes densificantes. Cuando se realiza una operación de densificación se tiene de una manera similar a la preparación del lodo una densidad final como objetivo que requiere del cálculo de la masa del solido necesaria para elevar la densidad inicial hasta la densidad final deseada. Para el cálculo podemos partir nuevamente realizando un balance de materia: LODO 1
+ sólido densificante
(inicial)
LODO 2 (final)
��
��
Utilizando la ec. (1) podemos hallar el volumen de densificante necesario para obtener el nuevo lodo (LODO 2): ( (
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) )
3
1.2.3 Reducción de la Densidad De la misma forma que en la operación de incremente, se realiza un balance de materia con la diferencia que en este caso se incrementa el volumen de la fase liquida para poder reducir la densidad del lodo. LODO 1
+ líquido
LODO 2
(inicial)
(final)
����
��
�� ( (
) )
Usualmente se usa agua para reducir la densidad pero es también común el uso de diesel como liquido reductor del peso de un lodo base aceite. La densidad del lodo debe ser conocida durante todo el periodo de la perforación, esta característica del lodo es importante para el confinamiento de los fluidos de perforación en sus respectivas zonas. La diferente ( ) entre la presión hidrostática ejercida por el fluido de perforación ( ) y la presión de los fluidos de formación ( ) determina el factor de seguridad en el control del pozo, teniéndose a la densidad como relación directa de la presión hidrostática, la cual previene derrumbes de las paredes del pozo al atravesar formaciones no consolidadas y la invasión descontrolada de fluido de formación. 1.3 DENSIDAD Y PESO ESPECÍFICO 1.3.1 Densidad Para una sustancia molecularmente homogénea, la densidad es la densidad física que nos expresa la masa en dicha sustancia contenida en una unidad de volumen, es decir:
1.3.2 Peso Específico El peso específico representa la fuerza con la que la tierra atrae a una unidad de volumen de determinada sustancia. Numéricamente es igual a la densidad de dicha sustancia. La densidad de un lodo es su peso por unidad de volumen de lodo y tiene un efecto de suspensión sobre las partículas, es decir, aumentando la densidad del lodo se aumenta la capacidad de ascenso de recortes que pueda tener el lodo, sin embargo, el peso del lodo se expresa más significativamente como la presión hidrostático o gradiente de presión en libras por pulgada cuadrada por cada mil pies de profundidad ( ⁄ )o( ), también puede expresarse como libras por galón ( ) = LPG, libras por pie cubico ( ) o gravedad especifica (GE) en gramos por centímetro cubico ( ).
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1.3.3 Gravedad Específica (GE) La gravedad especifica o densidad relativa es la relación existente entre la densidad de una sustancia y la densidad de otra sustancia que se toma como referencia llamada patrón, es decir:
Para sustancias liquidas se suele tomar como sustancia patrón al agua, cuya densidad a 15.5 °C es de 1.0 ( ). Para gases la sustancia de referencia la constituye el aire que a 0 °C tiene una densidad de 0.00129 ( ). Como toda magnitud relativa que se obtiene como cociente entre dos magnitudes iguales, la gravedad especifica carece de unidades, es decir, es adimensional. La gravedad específica de los fluidos en suspensión generalmente determina la densidad del fluido de perforación. Muchos pozos son perforados con densidad que no pasan las 9 LPG, pero es necesario ocasionalmente usar densidad de hasta 20 LPG en operaciones para controlar el pozo. En general se usa baritina como densificante de un lodo de perforación u otros materiales inertes vistos anteriormente. Todo el funcionamiento de la sarta de perforación depende directamente de las propiedades del lodo, pero fundamentalmente de la densidad o peso del lodo, propiedad que nos permite la determinación de la presión hidrostática de la columna de lodo que está circulando en el sistema, lo que nos permite ejercer un control primario del pozo. 1.3.4 Balanza de Lodo La balanza de lodo es el instrumento más comúnmente utilizado para medir la densidad o peso de un lodo ya que este es un instrumento simple y de fácil manejo.
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La balanza de lodo consiste en una copa unida a un brazo y a un contrapeso fijo ubicado en su extremo opuesto, que se asienta sobre una base y se balancea mediante un aditamento móvil (cursor) que se mueve a lo largo de la escala graduada. Un nivel de burbuja está colocado sobre la balanza para referencia de la horizontalidad del brazo durante las mediciones. También está provisto de una tapa para aislar la muestra contenida en la copa y en la que se encuentra el orificio de purga en su parte superior. 1.3.4.2 Calibración Instalar la balanza de lodos firmemente sobre una superficie lisa y bien nivelada para luego proseguir con lo siguiente: La balanza de calibrarse frecuentemente, para lo cual se debe llenar la copa de agua dulce a 20 °C, con su tapa bien sellada se coloca sobre la base y se mueve el cursor hasta equilibrar el instrumento. Su lectura debe ser de 433 ( ), 8.33 ( ). Si no es asi deberá quitarse el tornillo en el ) o 1.00 ( extremo del contrapeso y calibrar el aparato aumentando o quitando lastre (bolitas de plomo) hasta conseguir los valores anteriormente indicados. 1.3.4.3 Medición de la Densidad Para la medición de la densidad de un lodo se deben seguir los siguientes pasos: Se llena totalmente la copa con lodo estando esta seca y limpia, si la copa esta mojada se debe desechar la primera porción de lodo y llevar de nuevo. No deben quedar burbujas de aire atrapadas en el lodo, para ello golpee ligeramente la copa para que estas desaparezcan. Coloque la tapa dándole un ligero movimiento de rotación hasta que quede firmemente asentada sobre la copa; hay que tener la seguridad de lo que queda en la copa es lodo sin aire o gas y que estos últimos han sido expulsados por el orificio superior de la tapa (una buena operación debe dejar salir algo de lodo por el orificio de purga). Limpie el lodo del exterior de la copa.
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Coloque la balanza en la base y ponga en movimiento el cursor hasta equilibrar la copa y que la burbuja del nivel se coloque en el centro, el brazo de la balanza deberá mantenerse horizontal mediante el nivel de la burbuja cuando este coincida con la línea central que trae grabada. Lea el gradiente del lodo o su densidad sobre la escala en el punto donde el cursor trae una marca especial grabada o del lado del cursor más próximo a la copa. Reporte la densidad del lodo con una aproximación de 5 ( ) o en las unidades en las que está graduada la balanza. 1.4 PROCEDIMIENTO Preparar un lodo de densidad de 1.035
con 800
de volumen utilizando agua y bentonita de 2.3 de GE.
Instalar la balanza firmemente sobre una superficie lisa y bien nivelada para luego verificar si esta se encuentra calibrada. Mida la densidad del lodo preparado utilizando la balanza de lodos.
usando baritina (4.2), hematita (5.2) u otro material
Incremente la densidad del lodos ya preparados a 1.1
densificante. Mida la densidad del lodo densificado utilizando la balanza de lodos. 1.5 CÁLCULOS Indicar cuales fueron los cálculos realizados para la preparación de los lodos (especificar las cantidades de sólidos y agua que se utilizaron en cada operación). Determinar el incremento de volumen de lodo debido a la variación de baritina en la densificación. Calcular los valores experimentales promedio de cada balanza. Calcular el error porcentual de calibración que tiene cada balanza con los valores experimentales promedio respecto de los valores teóricos usando: |
|
Dónde: x: Valor promedio X: Valore teórico (Densidad del agua = 8.33 LPG) 1.6 MEDICIÓN DE LA DENSIDAD Indicar cuales fueron los cálculos que se realizaron para la preparación de lodos, especificando las cantidades de sólidos y líquidos usados. Calcular o transformar los valores obtenidos a todas las formas de expresión de la densidad que indicamos en el marco teórico, tanto para el lodo como para el agua.
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1.7 RECOMENDACIONES Debe tener cuidado de verificar el voltaje del agitador del lodo antes de conectarlo. Una vez terminada la práctica, no se debe verter el lodo en el lavaplatos, ya que puede taponarse por la propiedad de gelatinosidad que tiene, la cual se estudiará más adelante. Es por ello que se recomienda usar una botella plástica descartable de 2 litros, además de etiquetarla debidamente con el fin de poder utilizar el lodo preparado en futuros ensayos. 1.8 CUESTIONARIO 1. Calcular la presión normal que se espera encontrar a las profundidades de 1809 y 2500 m en un pozo ⁄ suponiendo que la gradiente de presión normal es de 0.104 , suponiendo que se utilice un lodo de 2.
1.25 de densidad a esas profundidades ¿Cuál será la presión diferencial en cada caso? Preparar un lodo base agua con un total de 400 buscando una densidad de 1.041 especifica de la bentonita a usar es de 2.3. ¿Qué importancia tiene la densidad de un lodo en la perforación de pozos? Indicar la clasificación de los fluidos de perforación según su composición. ¿Cuáles son los métodos más usuales para reducir la densidad de un lodo? ¿De qué otra forma se puede medir la densidad de un fluido de perforación? Explique.
donde la gravedad
3. 4. 5. 6. 7. ¿Por qué se dice que la presión hidrostática ejercida por el fluido de perforación es directamente proporcional a la densidad del mismo? 8. Determine la densidad de un lodo cuyo volumen de preparación es de 900 litros con una cantidad de bentonita de 50 Kg. Y que tiene una gravedad específica de 2.3.
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PREPARACIÓN DEL LODO Y DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD Nombre:……………………………………………………………………………………………………………….Fecha:…………………………………… . Código:………………..………………………………… MUESTRA
NÚMERO DE MEDIDA
AGUA DULCE
LODO
LODO DENSIFICADO O DILUIDO
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UNIDADES ⌈
⌉
[
]
⌈
⌉
⌈
⌉
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
9
