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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA Y ARQUITECTURA UNIDAD TICOMÁN CIENCIAS DE LA TIERRA
ALUMNO:
LUIS DAVID CONCHA CASTILLO RAFAEL DONATO CORDERO PERALTA JOSÉ ÁNGEL ELIZALDE ROMERO HERIBERTO HERNÁNDEZ JUÁREZ
DOCENTE: ING. MIGUEL HERMILO GRESS BAUTISTA
MATERIA: PROCESOS QUÍMICOS EN LA INGENIERÍA PETROLERA
GRADO: 5º SEMESTRE
GRUPO: 3PM4
TEMA: FLUIDOS DE PERFORACIÓN
OBSERVACIONES: _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________ _______________________________________________________________
MÉXICO D.F. A 16 DE AGOSTO 2011
2 Procesos químicos en la ingeniería petrolera
ÍNDICE INTRODUCCIÓN
3
OBJETIVO Y DESARROLLO
4
FLUIDOS DE PERFORACIÓN
5
FLUIDO BASE AGUA
7
FLUIDO BASE ACEITE
9
LODOS DE CALCIO
10
PROPIEDADES QUÍMICAS DE LOS FLUIDOS DE PERFORACIÓN
14
PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS
16
COMPOSICIÓN DE LOS FLUIDOS DE PERFORACIÓN
22
IMPACTO AMBIENTAL DE LOS FLUIDOS DE PERFORACIÓN
24
CONCLUSIÓN
26
CUESTIONARIO
27
GLOSARIO
29
ANEXO
30
BIBLIOGRAFÍA
31
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INTRODUCCIÓN El fluido o lodo de perforación es un líquido que circula a través de la sarta de perforación hasta la barrena y regresa a la superficie por el espacio anular. Hasta la fecha un pozo de gas o aceite no se puede perforar sin este concepto básico de fluido circulante. Es una parte clave del proceso de perforación, y el éxito de un programa de perforación depende de su diseño. Un fluido de perforación pará un área articular se debe diseñar para cumplir con los requerimientos específicos. En general los fluidos de perforación tendrán muchas propiedades que son benéficas para la operación, pero también algunas otras que no son deseables. La tecnología de fluidos de perforación se rige por 3 factores: Desempeño Economía Asuntos ambientales
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OBJETIVO Conocer los efectos que causan los materiales con los que se elabora el fluido de perforación en base a sus propiedades físicas y químicas.
DESARROLLO En el siguiente trabajo abordaremos la temática de los fluidos de perforación, que son, de que tipo, su clasificación, cuales son los más usados así como sus propiedades físicas y químicas, ya que los fluidos de control son esenciales en el proceso de la perforación, ya que se encargan de la remoción de detritos así como de proporcionar estabilidad al pozo y lubricar la barrena.
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FLUIDOS DE PERFORACIÓN Es un fluido circulatorio que se utiliza en un equipo de perforación o terminación de pozo, formado por una mezcla de aditivos químicos que proporcionan propiedades fisicoquímicas idóneas a las condiciones operativas y a las características de la formación litológica a perforar. Un fluido de perforación que es fundamentalmente líquido, se denominó también lodo de perforación. Se trata de una suspensión de sólidos, líquidos o gases en un líquido.
Los lodos de perforación son fluidos que circulan en los pozos de petróleo y gas para limpiar y acondicionar el hoyo, para lubricar la broca de perforación y para equilibrar la presión de formación. Los lodos de perforación típicamente usan agua o petróleo como fluido base. En años recientes, los lodos de perforación a base de sintéticos formulados empleando éster, éteres o polialfaolefinas como fluidos de base, se encuentran disponibles como alternativas. La información existente sugiere que los lodos de perforación a base de sintéticos son relativamente no tóxicos en los ambientes marinos y tienen un alto grado de biodegradación. A fin de minimizar la cantidad de petróleo descargada dentro del ambiente marino, los operadores deben, en lo posible, utilizar lodos a base de agua o a base de sintéticos. El uso de un lodo a base de petróleo requerirá de aprobación específica y estará limitado a los pozos, o porciones de los mismos, donde los requerimientos de perforación sean tales que el uso de lodos a base de agua o a base de sintéticos no sea práctico. Si se aprueba un lodo a base de petróleo, el contenido aromático del petróleo base deberá ser de 5 % o menos y el petróleo no deberá ser acentuadamente tóxico de acuerdo a su medición por medio de pruebas estándares de toxicidad
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TIPOS DE LODOS Una forma simple en la que podemos agrupar los fluidos de perforación, puede ser la siguiente:
FLUIDOS GAS-AIRE Usando como fluido de perforación aire, gas natural, gases inertes o mezclas con agua, se han obtenido grandes ventajas económicas en secciones de rocas consolidadas donde difícilmente se encontrarían grandes cantidades de agua, pues un aporte adicional de líquido contribuiría a formar lodo, embotando la sarta, especialmente la broca; el aire o gas seco proveen la mayor rata de penetración de los diferentes fluidos de perforación, los cortes son usualmente reducidos a polvo al mismo tiempo que se dirigen a la superficie, al ser bombardeados a alta velocidad contra los tool joints. El transporte de los cortes depende de la velocidad en el anular, al no poseer propiedades que garanticen por sí mismas la suspensión de los cortes o sólidos transportados; siendo no recomendable su uso ante paredes de pozo inestables, formaciones productoras de agua, formaciones con alta presión de poro y adversos factores económicos. En general el uso de este tipo de fluidos resulta en una rata de perforación más rápida, mayor footage para la broca, mayor posibilidad para tomar pruebas de las formaciones, limpieza de los corazones, mejores trabajos de cementación y mejores completamientos. Se usa mist drilling o perforación de niebla cuando una pequeña cantidad de agua entra al sistema, eventualmente agentes espumantes son inyectados en la corriente por tanto disminuyen la tensión interfacial entre el agua, dispersándola dentro del gas, lo cual incrementa la habilidad de eliminar el agua producida por la formación. Agentes anti-corrosión normalmente no son
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usados pero cuando ocurre o se encuentra agua, un inhibidor tipo amina sirve para proteger la sarta.
LODOS ESPUMOSOS Fabricados mediante la inyección de agua y agentes espumantes dentro de una corriente de aire o gas creando un espuma estable y viscosa o mediante la inyección de una base gel conteniendo un agente espumante, su capacidad de acarreo es dependiente más de la viscosidad que de la velocidad en el anular. En cuanto a los lodos aireados en una base gel, tienen el propósito de reducir la cabeza hidrostática y prevenir pérdidas de circulación en zonas de baja presión, además de incrementar la rata de penetración.
FLUIDO BASE AGUA Los sistemas de fluido base agua se clasifican por la resistencia a los tipos de contaminantes de la formación y a sus temperaturas, los cuales se van transformando en su formulación debido a la incorporación de flujos como gases, sal, arcillas, yeso, líquidos y sólidos propios de la formación o de aditivos químicos excedidos y degradados. La bentonita es usada para tratar lodos de agua fresca para satisfacer las necesidades reológicas del lodo, así como para controlar las pérdidas de fluido; obtiene su mejor desempeño en lodos que contengan menos de 10,000 ppm (partes por millón) de cloruro de sodio, al afectar grandemente sus propiedades. Los fosfatos (siendo el pirofosfato ácido de sodio (SAPP) el más usado) son químicos inorgánicos usados para dispersar estos lodos cuyas viscosidades aumentan mediante la contaminación con cemento o con sólidos perforados, sin embargo, no reducen la pérdida de fluido y no son estables a temperaturas superiores a los 150°F. Rara vez un lodo formado a partir de solo bentonita es usado, gracias a su facilidad a ser contaminado.
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FLUIDO BENTONÍTICO Es una mezcla de bentonita con agua, no se utilizan dispersantes y las arcillas comerciales agregadas al lodo
FLUIDO BENTONÍTICO POLÍMERO Es empleado para perforar formaciones de bajo contenido de arcilla
FLUIDO DISPERSO- INHIBIDO En este tipo de lodos se utilizan dispersantes químicos para deflocular la bentonita sódica.
FLUIDO DISPERSO- NO INHIBIDO Se utilizan dispersantes químicos para deflocular a la bentonita sódica, no se utilizan iones de inhibición, ya que los dispersantes van a actuar sobre los sólidos perforados, maximizando su dispersión
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FLUIDO BASE ACEITE El fluido de emulsión inversa se define como un sistema en el que la fase continua es aceite y el filtrado también lo es. El agua que forma parte del sistema consiste de pequeñas gotas que se hallan dispersas y suspendidas en el aceite. Cada gota de agua actúa como una partícula de sólidos.
Existen dos tipos principales de sistemas: a) Lodos de aceite: que contienen menos del 5% en agua y contiene mezclas de álcalis, ácidos orgánicos, agentes estabilizantes, asfaltos oxidados y diesel de alto punto de llama o aceites minerales no tóxicos. Uno de sus principales usos es eliminar el riesgo de contaminación de las zonas productoras. Los contaminantes como la sal o la anhidrita no pueden afectarlos y tiene gran aplicación en profundidad y altas temperaturas, también son especiales para las operaciones de corazonamiento. b) Emulsiones invertidas: estos sistemas contiene más del 50% en agua, que se encuentra contenida dentro del aceite mediante emulsificantes especiales; este lodo es estable a diferentes temperaturas. El uso de estos dos tipos de lodos requiere cuidados ambientales debido a su elevado poder contaminante. Pueden pesar 7.5 ppg (libras por galón) sin el uso de materiales pesantes. Estos lodos han sido empleados con éxito para muchas tareas de perforación con: pozos profundos con condiciones extremas de presión y temperatura; problemas de pega de tubería y de estabilidad de pozo; necesidad de atravesar zonas que contienen sales, yeso o anhidrita; presencia de sulfuro de hidrógeno hallazgo de formaciones potencialmente productoras; gran necesidad de minimizar la fricción y los torques (en pozos altamente desviados). Lastimosamente su carácter contaminante ha restringido su uso.
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LODOS DE CALCIO Altamente tratados con compuestos de calcio, catión divalente que inhibe el hinchamiento de las arcillas de las formaciones perforadas, muy utilizados para controlar esquistos fácilmente desmoronables. También aplicados en la perforación de secciones de anhidrita de considerable espesor y en estratos con flujos de agua salada. Estos lodos difieren de los otros lodos base agua, en que las arcillas base sodio de cualquier bentonita comercial o la bentonita que aporta la formación es convertida a arcillas base calcio mediante la adición de cal o yeso, tolerando altas concentraciones de sólidos arcillosos con bajas viscosidades a comparación de los otros fluidos base agua fresca. Estos sistemas son referidos como lodos base cal o base yeso dependiendo cuál de estos químicos es usado para convertir el sistema a base calcio. Normalmente se obtienen por la adición de cal apagada, de tal forma que la arcilla sódica (bentonita), se convierta en arcilla cálcica, manteniéndose usualmente concentraciones en exceso de cal: de 1 a 2 lbm/bbl (en lodos bajos en cal) o de 5 a15 lbm/bbl (en lodos altos en cal) y en los sistemas de yeso un exceso de 2 a 4 lbm/bbl, para no aceptar los que puedan aportar las formaciones, inalterándolas, previniendo formar cavernas.
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LODOS BAJOS EN SOLIDOS Son aquellos lodos en los cuales la cantidad y tipos de sólidos son estrictamente controlados. Estos no deben presentar porcentajes en volumen de sólidos totales por encima de 10% y la relación de sólidos perforados a bentonita, debe ser menor que 2:1. En años recientes han aparecido productos nuevos que hacen práctico el uso de lodos con cloruro de potasio, cuya concentración de cloruro de potasio usada depende del tipo de formación a perforar. Los lodos con concentraciones bajas (de 5 a 7 % en peso de agua utilizada para preparar el lodo) se usan en formaciones de shales firmes o de shales inestables que contengan muy poca esmectita y en arenas potencialmente ricas en hidrocarburos que pueden sufrir daños en su permeabilidad al ponerse en contacto con agua dulce. Los lodos con concentraciones altas (de 10 a 20 % en peso de agua) se utilizan para perforar shales tipo gumbo (que se hacen pegajosos y pierden su porosidad al contacto con el agua dulce), y para perforar “shales” ricos en esmectita.
LODOS SATURADOS CON SAL Nombre común para un lodo de perforación en el que la fase agua está saturada (mínimo 189,000 ppm) de cloruro de sodio (inclusive 315,000 ppm @ 68°F). El contenido salino puede provenir propiamente del agua, mediante adición en la superficie o aporte de las formaciones perforadas; varias sales pueden ser usadas según el propósito específico, como las de sodio, calcio, magnesio y potasio. La base convencional de estos lodos es la atapulguita o bentonita prehidratada y los compuestos de starsh o almidón y carboximetilcelulosa (CMC) que son usados para el control de pérdidas de fluido. Debe considerarse que:
Se hace casi inmanejable cuando se permite que el conjunto de sólidos de gravedad específica baja se vuelva alto. Así, para que un lodo saturado con sal y de densidad de 11.1 lbm/gal cumpla bien sus funciones debe presentar- como máximo- 9% en volumen (aproximadamente 75 lbm/bbl), de sólidos de baja gravedad especifica.
Después de los lodos base aceite y de los preparados con cloruro de potasio (excluyendo los preparados con materiales poliméricos), los lodos saturados con sal son de los mejores para perforar “shales” problemáticos. No obstante, muchas veces se opta por no usar los lodos saturados con sal por dos razones: 1) requieren cantidades mayores de materiales para controlar sus pérdidas de filtrado, debido a que son sistemas inhibidos (presentan aditivos que impiden o limitan su reacción con las formaciones perforadas), con grandes cantidades de sal común.
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2) dificultad para controlar sus propiedades reológicas, por su facilidad de dispersar en el lodo los recortes de la formación, situación debida, principalmente a la caída de la concentración de sal por debajo del punto de saturación o al aumento por encima de los niveles máximos, de sólidos de baja gravedad específica, así el agua permanezca saturada de sal.
Fluidos de control neumáticos En momentos en los cuales las técnicas de perforación, de bajo balance de presión (underbalance) tienen gran aplicación en los Estados Unidos de América (más del 12% de los pozos allí perforados durante 1997 se planearon con este método), es así que se ha propuesto un nuevo sistema de lodos que han sido probados en campo con éxito y que se constituyen en una buena alternativa al uso de fluidos neumáticos, pues con ellos:
Se puede disponer de un lodo de muy baja densidad e incompresible. Se eliminan los grandes compresores requeridos por los fluidos neumáticos. Se pueden utilizar herramientas MWD.
Como con los fluidos neumáticos, con estos nuevos lodos se pueden lograr ratas de perforación altas y disminuir los daños de formación y las pérdidas de circulación. La reducción de densidad en lodos convencionales incluso puede 7 u otras sustancias corrosivas; lograrse agregando (en concentraciones de mas del 20%, en volumen) esferas de vidrio huecas (gravedad especifica de 0.37, diámetro promedio de 50 micrómetros y 3,000 psi de resistencia al colapso) desarrolladas con el auspicio del Departamento de Energía de los Estados Unidos. De fácil remoción y reciclables. Son usados en situaciones donde la perforación con fluidos no es adecuada. Estos fluidos corresponden a aire, espumas y son utilizados para perforar:
Formaciones muy porosas. Formaciones cavernosas.
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LODOS CUYA FASE CONTINUA ES “MATERIAL SINTÉTICO (producido por síntesis química)” Esta nueva clase de lodos –denominados “lodos basados en seudo-aceite” – poseen la mayoría de propiedades de los lodos con fase continua aceitosa y con su uso se podrían disminuir los grandes problemas de contaminación causados, pero muchos de ellos presentan toxicidad acuática. Aun así, algunos autores recomiendan estos nuevos lodos como una alternativa al uso de lodos cuya fase continua es aceite. Otras desventajas son: el costo (varios cientos de dólares por barril, situación que se agravaría con la presencia de pérdidas de circulación) y su poca estabilidad a altas temperaturas. Entre los materiales sintéticos más empleados se encuentran: Ester; Éter, Poli-alfa-olefina, Alquilbenceno-lineal y Alfa-olefina lineal.
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PROPIEDADES PERFORACIÓN
QUÍMICAS
DE
LOS
FLUIDOS
DE
En los fluidos de perforación es importante tener en cuenta sus propiedades químicas, principalmente la solubilidad, salinidad, acidez, alcalinidad y neutralización.
Solubilidad Es la propiedad de una sustancia (soluto) de disolverse en una cantidad de solvente para obtener una solución saturada. Ésta afecta en las propiedades reológicas del fluido de control, ya que normalmente se agregan diferentes tipos de materiales a los fluidos para dar las propiedades físicas deseadas, dependiendo del pozo perforado, un ejemplo es la bentonita que se le agrega para poder controlar la viscosidad de nuestro fluido, y la barita que se usa para densificar.
Salinidad Ésta es una medida por la cual se determina la cantidad de sales disueltas en nuestros fluidos. Está directamente relacionada con la solubilidad. También pueden agregarse otras sales. Nuestros lodos de perforación se clasifican dependiendo de la cantidad de sal: Salobres: Con una concentración entre 10,000 y 35,000 ppm. Salados: Con una concentración entre 35,000 y 350,000 ppm. Saturados con sal: Con una concentración mayor a 350,000 ppm. Las partes por millón (ppm), es una unidad de medida de concentración. Se refiere a la cantidad de unidades de la sustancia que hay por cada millón de unidades de conjunto. Los lodos de agua salada y agua salobre son utilizados en las operaciones de perforación costa afuera y costeras debido a las provisión es inagotables de este tipo de agua en el sitio de perforación. Otras ventajas derivadas del uso de
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agua salada o salobre en los fluidos de perforación incluyen el hecho de que las arcillas perforadas se hidratan menos que cuando se usa agua dulce. Frecuentes controles de cloruros deben ser realizados para monitorear el contenido de sal para la saturación. Será necesario tomar medidas para asegurarse que toda el agua de dilución esté saturada antes de ser añadida al sistema activo. En las regiones donde la humedad es alta, la sal absorbe agua, se vuelve grumosa y es casi imposible de mezclar a través de las tolvas mezcladoras de lodo a una velocidad suficiente para mantener el fluido de perforación saturado. Si se mezcla la sal directamente dentro del lodo, aproximadamente la mitad de la sal será revestida por el lodo y se sedimentará al fondo de los tanques. El porcentaje de agua también se emplea para calcular los resultados en otras pruebas, como la salinidad de la fase acuosa de un fluido de base aceite.
Acidez y alcalinidad. El pH es un valor que representa la concentración de iones hidrógeno en un líquido, es decir su acidez o alcalinidad. La acidez es el exceso de iones hidrógeno en una disolución acuosa. La alcalinidad se da por sustancias que en disolución aumentan la concentración de iones hidroxilo. La escala de pH va de 0 a 14. De 0 a 6.9 es ácido, 7 es neutro, y de 7.1 a 14 es alcalino. Es importante medir el grado de acidez y alcalinidad de nuestro fluido porque si es muy ácido puede dañar tanto el pozo como la tubería y la formación. El pH se puede medir en el laboratorio con un medidor de pH o papel indicador de pH, el cual se encuentra impregnado de una mezcla de indicadores cualitativos, cambiará de color dependiendo de la concentración de iones H+. Los indicadores de pH más conocidos son el naranja de metilo, que cambia de color rojo a naranja en el intervalo de pH 3.1 a 4.4, y la fenolftaleína, que cambia disoluciones incoloras a colores rosados o violetas, en intervalos de pH de 8 a 10.
Neutralización Una neutralización es una reacción entre un ácido y una base. Generalmente en las reacciones acuosas ácido-base se forma agua y sal.
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PROPIEDADES FISICOQUÍMICAS Suspensiones Las suspensiones son mezclas heterogéneas en las cuales las partículas contienen más de una molécula y los agregados son suficientemente grandes para observarse a simple vista o con el microscopio. Formadas por un sólido en polvo o pequeñas partículas no solubles que se dispersan en un medio líquido o gaseoso. Cuando uno de los componentes es agua y los otros son sólidos suspendidos en la mezcla.
Caracteristicas: •
Sus partículas son mayores que las de las disoluciones y los coloides, lo que permite observarlas a simple vista.
•
Sus partículas se sedimentan si la suspensión se deja en reposo.
•
Los componentes de la suspensión pueden separarse por medio de centrifugación, decantación, filtración y evaporación.
Ejemplos de suspensiones son: •
Algunos medicamentos;
•
Agua y la arena;
•
La arena mezclada con el cemento;
•
Refrescos elaborados con zumos de frutas;
•
Algunas pinturas vinílicas.
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•
Algunos aerosoles, especialmente aquellos que requieren ser agitados antes de usarse.
•
El aceite diluido con el agua.
Coloides Los coloides pueden ser definidos como el puente que comunica a las suspensiones con las soluciones, es decir, son un paso intermedio entre ambas; aquellos en el que la fase continua es un líquido y la fase dispersa se componen de partículas sólidas.
Tensión superficial Cantidad de energía necesaria para aumentar su superficie por unidad de área. Esta definición implica que el líquido tiene una resistencia para aumentar su superficie. La tensión superficial (una manifestación de las fuerzas intermoleculares en los líquidos), junto a las fuerzas que se dan entre los líquidos y las superficies sólidas que entran en contacto con ellos, da lugar a la capilaridad. Fuerza que actúe tangencialmente por unidad de longitud en el borde de una superficie libre de un líquido en equilibrio y que tiende a contraer dicha superficie. En pocas palabras la elevación o depresión de la superficie de un liquido en la zona de contacto con un sólido. A nivel microscópico, la tensión superficial se debe a que las fuerzas que afectan a cada molécula son diferentes en el interior del líquido y en la superficie. Así, en el seno de un líquido cada molécula está sometida a fuerzas de atracción que en promedio se anulan. Esto permite que la molécula tenga una energía bastante baja. Sin embargo, en la superficie hay una fuerza neta hacia el interior del líquido.
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Mojabilidad Es la capacidad que tiene un líquido de extenderse y dejar una traza sobre un sólido. Depende de las interacciones intermoleculares entre las moléculas superficiales de ambas sustancias. Se puede determinar a partir del ángulo que el líquido forma en la superficie de contacto con el sólido, denominado ángulo de contacto; a menor ángulo de contacto, mayor mojabilidad. La mojabilidad depende de las fuerzas intermoleculares de los materiales en contacto; las fuerzas adhesivas entre el líquido y el sólido provocan que el líquido se extienda por la superficie, mientras que las cohesivas del líquido hacen que éste se abulte y tienda a evitarla.
El ángulo de contacto θ es el ángulo que forma el líquido respecto a la superficie de contacto con el sólido, y está determinado por la resultante de las fuerzas adhesivas y cohesivas. Como la tendencia de una gota a expandirse en una superficie plana aumenta con la disminución del ángulo de contacto, este ángulo proporciona una medida de la inversa de la mojabilidad.
Un ángulo de contacto pequeño (< 90°) indica que la mojabilidad es muy alta, y el fluido se extenderá sobre la superficie; ángulos de contacto grandes (> 90°) significan que la mojabilidad es baja y el fluido disminuirá el contacto con la superficie, formando una gota compacta.
En el caso del agua, una superficie en la cual la mojabilidad sea alta se denomina hidrofílica, y en caso contrario hidrofóbica. Las superficies superhidrofóbicas presentan ángulos de contacto mayores a 150°, produciéndose un escaso contacto entre la gota líquida y la superficie. Este fenómeno se denomina efecto lotus. Para líquidos distintos al agua, se utiliza el término liófilo para designar a la condición de ángulo de contacto pequeño, y liófobo para ángulos de contacto grandes. De modo similar, se utilizan los términos onmifóbico y onmifílico para líquidos polares y apolares, respectivamente.
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Impermeabilidad Es la capacidad de un material para impedir o resistirse a que un fluido lo atraviese.
Adherencia Es la propiedad física que poseen algunos materiales de “pegarse” el uno con el otro.
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Reología Es la parte de la física que estudia la relación entre el esfuerzo y la deformación en los materiales que son capaces de fluir. La reología es una parte de la mecánica de medios continuos. Una de las metas más importantes en reología es encontrar ecuaciones constitutivas para modelar el comportamiento de los materiales. Las propiedades mecánicas estudiadas por la reología se pueden medir mediante reómetros, aparatos que permiten someter al material a diferentes tipos de deformaciones controladas y medir los esfuerzos o viceversa. Algunas de las propiedades reológicas más importantes son:
Viscosidad aparente (relación entre esfuerzo de corte y velocidad de corte)
Coeficientes de esfuerzos normales
Viscosidad compleja (respuesta ante esfuerzos de corte oscilatorio)
Módulo de almacenamiento y módulo de pérdidas (comportamiento viscoelástico lineal)
Funciones complejas de viscoelasticidad no lineal
Los estudios teóricos en reología en ocasiones emplean modelos microscópicos para explicar el comportamiento de un material. Por ejemplo en el estudio de polímeros, éstos se pueden representar como cadenas de esferas conectadas mediante enlaces rígidos o elásticos.
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Tixotropía La tixotropía es la propiedad de algunos fluidos no newtonianos y pseudoplásticos que muestran un cambio dependiente del tiempo en su viscosidad; cuanto más se someta el fluido a esfuerzos de cizalla, más disminuye su viscosidad. Un fluido tixotrópico es un fluido que tarda un tiempo finito en alcanzar una viscosidad de equilibrio cuando hay un cambio instantáneo en el ritmo de cizalla. Sin embargo no existe una definición universal; el término a veces se aplica a los fluidos pseudoplásticos que no muestran una relación viscosidad/tiempo. Es importante tener en cuenta la diferencia entre un fluido tixotrópico y otro pseudoplástico. El primero muestra una disminución de la viscosidad a lo largo del tiempo a una velocidad de corte constante, mientras que la última muestra esta disminución al aumentar la velocidad de corte. A los fluidos que exhiben la propiedad opuesta, en la que la agitación a lo largo del tiempo provoca la solidificación, se les llama reopécticos, a veces anti-tixotrópicos, y son mucho menos comunes.
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COMPOSICIÓN DE LOS FLUIDOS DE PERFORACIÓN a composici n de los fluidos depender de las e igencias de cada operaci n de perforación en particular, esto quiere decir, que es necesario realizar mejoras a los fluidos requeridos, para enfrentar las condiciones que se encuentran a medida que avance la perforación El propósito fundamental del fluido de perforación es ayudar a hacer rápida y segura la perforación del pozo, mediante el cumplimiento de las siguientes funciones: Capacidad de transporte La densidad, viscosidad y el punto cedente son las propiedades del fluido que, junto a la velocidad de circulación o velocidad anular, hacen posible la remoción y el transporte del ripio desde el fondo del hoyo hasta la superficie. Enfriar y lubricar El fluido de perforación facilita el enfriamiento de la mecha al expulsar durante la circulación el calor generado por la fricción mecánica entre la mecha y la formación. En cierto grado, por si mismo, el fluido actúa como lubricante y esta característica puede incrementarse con aceite o cualquier producto químico elaborado para tal fin. Formar revoque Para minimizar los problemas de derrumbe y atascamiento de tubería en formaciones permeables, es necesario cubrir la pared del hoyo con un revoque liso, delgado, flexible, de baja permeabilidad y altamente compresible. El revoque se logra incrementando la concentración y dispersión de los sólidos arcillosos.
Controlar la presión de la formación El fluido de perforación ejerce una presión hidrostática en función de la densidad y altura vertical del pozo, la cual debe controlar la presión de la formación, evitando un influjo hacia el pozo. Esta presión no depende de la geometría del hoyo. Capacidad de suspensión La resistencia o fuerza de gel es la propiedad reológica del fluido que permite mantener en suspensión las partículas sólidas cuando se interrumpe la circulación. Esta propiedad retarda la caída de los sólidos, pero no la evita. Flotabilidad La sarta de perforación y la tubería de revestimiento pierden peso cuando se introducen en el hoyo, debido al factor de flotación, el cual depende de la densidad o peso del fluido. En consecuencia, para calcular el peso de la sarta en el fluido, se multiplica su peso en el aire por el factor de flotación.
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Estabilidad La estabilidad de las formaciones permeables se logra con peso y revoque de calidad, y las impermeables con peso, cuando se trata de lutitas presurizadas, y con inhibición o con fluido cien por ciento aceites, cuando se trata de Lutitas reactivas. Evaluación El fluido debe tener una alta calidad para facilitar la toma de núcleos y la evaluación de las formaciones perforadas, sobre todo cuando se trata de la zona productora.
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IMPACTO AMBIENTAL DE LOS FLUIDOS DE PERFORACIÓN Desde que el hombre comienza a tener una influencia determinante en la modificación de su entorno, empieza a alterar el balance de los ecosistemas y llega, en algunos casos, a transformar los sistemas naturales en cuestión de segundos (como sucede con la actividad minera), cuando la naturaleza los ha desarrollado a lo largo de miles de años. La respuesta de la naturaleza a las modificaciones generadas no siempre pueden predecirse ni tampoco pueden precisarse algunos efectos que dichos cambios provoquen en el entorno (Sánchez, 1996). Cuando las modificaciones se llevan a cabo en el medio que nos rodea, como el aire y el agua, los efectos pueden percibirse sin necesidad de ser un estudioso del ambiente; sin embargo, existe un tipo de contaminación que de alguna forma permanece oculta a nuestros ojos, pero que se agudiza día con día sin que tengamos conciencia real de la problemática; me refiero a la alteración de las características propias de la contaminación del suelo, subsuelo y los mantos fre ticos. Esta degradaci n “silenciosa” también se ha reflejado en un atraso en la elaboración de instrumentos de prevención, control y restauración de sitios afectados. Algunos aportes referentes a la prevención de la contaminación del suelo se expresaron en las normas emitidas en 1984 por la Dirección General de Normas, las cuales están directamente relacionadas con los residuos sólidos municipales (aunque en realidad no incluyen ningún apartado relacionado con la contaminación del suelo). Otros aportes significativos son: el proyecto de Norma Oficial Mexicana NOM090-ECOL-1994, referente a los requisitos para la selección de sitios para construcción de presas de jales; la NOM 003-CNA-1996 y la NOM-004-CNA1996 establecen requisitos para la prevención de la contaminación de acuíferos; esta última hace referencia a las labores de perforación y rehabilitación de pozos para extracción de agua. También menciona restricciones en el uso de bentonita para la perforación de dichos pozos. Más recientemente, fue emitido el proyecto de Norma Oficial Mexicana NOM120-ECOL-1997, el cual es el primero que hace referencia de manera específica a los fluidos de perforación como un contaminante potencial al subsuelo y los mantos freáticos cuando se realiza exploración minera, aunque
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deja de lado algunas especificaciones que pueden implantarse de manera genérica a los programas de aplicación de fluidos de perforación.
Las fuentes de contaminación al subsuelo pueden ser varias, las principales son: fugas en tanques de almacenamiento y líneas de conducción de combustibles; campos agrícolas regados con aguas residuales o uso de agroquímicos; fugas en alcantarillados y letrinas; tiraderos de residuos sólidos y peligrosos; sitios de disposición final mal planeados, entre otros. Los propios trabajos de investigación para la detección de contaminación del subsuelo pueden llegar a constituir una fuente potencial que introduzca o agudice la contaminación, especialmente cuando se utilizan técnicas de exploración que requieren el uso de algún fluido de perforación.
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CONCLUSIÓN: Se concluyó que el fluido de perforación es fundamental durante el proceso de la perforación. Podemos decir que el fluido de perforación tiene como principal objetivo utilizar las propiedades del mismo para cumplir las funciones más importantes que eviten o que reduzcan los problemas que ocurren en el pozo, y contribuye adecuadamente en la extracción de hidrocarburo. Debe llevarse a cabo un estudio de las características del pozo así como la litología de la formación y debe revisarse constantemente que el lodo de perforación no pierda sus características adecuadas de densidad y viscosidad y de hacerlo, agregar los aditivos necesarios para mantenerla, propiciando una perforación óptima.
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CUESTIONARIO: ¿Qué son los fluidos de perforación? Es un fluido circulatorio que se utiliza en un equipo de perforación o terminación de pozo, formado por una mezcla de aditivos químicos que proporcionan propiedades fisicoquímicas idóneas a las condiciones operativas y a las características de la formación litológica a perforar.
¿Qué es el fluido base agua? Los sistemas de fluido base agua se clasifican por la resistencia a los tipos de contaminantes de la formación y a sus temperaturas, los cuales se van transformando en su formulación debido a la incorporación de flujos como gases, sal, arcillas, yeso, líquidos y sólidos propios de la formación o de aditivos químicos excedidos y degradados.
¿Cuál es el fluido bentonítico? Es una mezcla de bentonita con agua.
¿Qué es un fluido disperso-inhibido? En este tipo de lodos se utilizan dispersantes químicos para deflocular la bentonita sódica.
¿Cuáles son las principales propiedades químicas del fluido de perforación? Solubilidad, salinidad, acidez, alcalinidad, neutralización
¿Qué es solubilidad? Es la propiedad de una sustancia (soluto) de disolverse en una cantidad de solvente para obtener una solución saturada.
¿Qué es salinidad? Medida en la cual se determina la cantidad de sales disueltas en nuestros fluidos
¿Cómo se clasifican los lodos por la cantidad de sal? Salobres, salinos y saturados con sal.
¿Mediante que valor podemos determinar la acidez o alcalinidad de un líquido? pH Ejemplos de indicadores de pH Naranja de metilo y fenolftaleína
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¿Qué es neutralización? Reacción entre un ácido y una base
¿A que se le llama Mojabilidad? Es la capacidad que tiene un líquido de extenderse y dejar una traza sobre un sólido.
¿Cuál es el concepto de impermeabilidad? Es la capacidad de un material para impedir o resistirse a que un fluido lo atraviese.
¿Qué es la Tixotropía? La tixotropía es la propiedad de algunos fluidos no newtonianos y pseudoplásticos que muestran un cambio dependiente del tiempo en su viscosidad; cuanto más se someta el fluido a esfuerzos de cizalla, más disminuye su viscosidad.
¿De qué depende la composición de fluidos de perforación? Satisfacer condiciones de altas temperaturas y presiones que hay en algunos pozos profundos a la vez conservar el medio ambiente
¿Cuál es el propósito fundamental de la del fluido de perforación? Es ayudar a hacer rápida y segura la perforación del pozo
composición
¿Cuáles son las características a cumplir para la composición de los fluidos de perforación? Capacidad de transporte, enfriar y lubricar, formar revoque, controlar la presión de la formación, capacidad de suspensión, flotabilidad, estabilidad.
¿En qué consiste el proyecto de Norma Oficial Mexicana NOM-090-ECOL1994? Es referente a los requisitos para la selección de sitios para construcción de presas de jales
¿De qué depende el nivel de daño de los fluidos de perforación al medio ambiente? Dependen del tipo de lodo y de las condiciones medio ambientales
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¿Qué contenido en los lodos de perforación puede causar más problemas ambientales que el de hidrocarburos? Contenidos de sal
GLOSARIO: FLUIDOS DE PERFORACIÓN: Es un fluido circulatorio que se utiliza en un equipo de perforación o terminación de pozo, formado por una mezcla de aditivos químicos que proporcionan propiedades fisicoquímicas idóneas a las condiciones operativas y a las características de la formación litológica a perforar.
FLUIDO BASE AGUA: Los sistemas de fluido base agua se clasifican por la resistencia a los tipos de contaminantes de la formación y a sus temperaturas, los cuales se van transformando en su formulación debido a la incorporación de flujos como gases, sal, arcillas, yeso, líquidos y sólidos propios de la formación o de aditivos químicos excedidos y degradados.
FLUIDO BASE ACEITE: El fluido de emulsión inversa se define como un sistema en el que la fase continua es aceite y el filtrado también lo es. El agua que forma parte del sistema consiste de pequeñas gotas que se hallan dispersas y suspendidas en el aceite. Cada gota de agua actúa como una partícula de sólidos.
SOLUBILIDAD: Es la propiedad de una sustancia (soluto) de disolverse en una cantidad de solvente para obtener una solución saturada.
SALINIDAD: Ésta es una medida por la cual se determina la cantidad de sales disueltas en nuestros fluidos.
MOJABILIDAD: Es la capacidad que tiene un líquido de extenderse y dejar una traza sobre un sólido.
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REOLOGÍA: Es la parte de la física que estudia la relación entre el esfuerzo y la deformación en los materiales que son capaces de fluir.
FLOTABILIDAD: La sarta de perforación y la tubería de revestimiento pierden peso cuando se introducen en el hoyo, debido al factor de flotación, el cual depende de la densidad o peso del fluido. En consecuencia, para calcular el peso de la sarta en el fluido, se multiplica su peso en el aire por el factor de flotación.
ESTABILIDAD: La estabilidad de las formaciones permeables se logra con peso y revoque de calidad, y las impermeables con peso, cuando se trata de lutitas presurizadas, y con inhibición o con fluido cien por ciento aceites, cuando se trata de lutitas reactivas.
ANEXO: Los lodos de perforación a base de petróleo, remanentes luego de un cambio de lodo de perforación o de la completación de un programa de perforación, deben ser recuperados y reciclados o transferidos a la costa de una manera apropiada, según la reglamentación local. Los lodos de perforación a base de agua que hayan sido usados o que hayan sobrado, podrán ser descargados desde las instalaciones marinas, sin tratamiento, a 3 metros o más de profundidad de la superficie, siempre y cuando no contengan aditivos químicos tóxicos o con hidrocarburos. Los operadores deberán, sin embargo, desarrollar procedimientos que reduzcan la necesidad de la disposición a granel de estos lodos, ya sea después de un cambio de lodo de perforación o de completar un programa de perforación.
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BIBLIOGRAFÍA: http://www.cedip.edu.mx/tomos/tomo03.pdf http://www.slideshare.net/daviddesing/semana2-fluidos-de-perforacion http://www.quiminet.com/articulos/lodos-de-perforacion-en-la-industria-petrolera13862.htm http://balance-de-materiales.blogspot.com/2007/12/lodos-de-perforacin.html http://es.scribd.com/doc/25821575/Fluidos-de-Perforacion-y-Completacion http://www.petroblogger.com/2010/06/control-de-fluidos-de-perforacion.html http://es.scribd.com/doc/7904671/Introduccion-a-Fluidos-de-Perforacion http://ingenieria-de-yacimientos.blogspot.com/2009/01/fundamentos-de-lamojabilidad.html
http://webdelprofesor.ula.ve/ingenieria/mabel/materias/sistemdispersos/Reologia.pdf http://www.monografias.com/trabajos11/pope/pope.shtml http://es.scribd.com/doc/20226217/Introduccion-a-los-Fluidos-de-Perforacion