informe lignosulfonato
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UNIVERSIDAD DE ORIENTE
NÚCLEO DE MONAGAS
ESCUELA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEO
LABORATORIO DE PERFORACIÓN
MATURÍN / MONAGAS / VENEZUELA
(INFORME 4° Y 5°)
Maturín, Julio de 2008
Índice
Introducción............................................................................................................................1
Marco Teórico.........................................................................................................................2
LODOS DE LIGNOSULFONATO....................................................................................4
Aplicaciones de los lodos de Lignosulfonato.........................................................................4
Conversión..............................................................................................................................5
Ventajas de utilizar lodos de lignosulfonato...........................................................................7
CONTAMINANTES DE LODOS....................................................................................14
Contaminación con sal común (NaCl)..................................................................................14
Fuentes de contaminación con sal.........................................................................................14
Propiedades del lodo que se ven afectadas por la contaminación con sal:...........................15
Agentes químicos empleados en el tratamiento de lodos contaminados con sal..................15
Procedimientos y Equipos Utilizados...................................................................................17
Resultados y Análisis............................................................................................................23
Parte I: Lodo de Lignosulfonato...........................................................................................23
Parte II: Lodo de Lignosulfonato Contaminado con Sal.......................................................26
Otros Valores Obtenidos.......................................................................................................29
Conclusiones.........................................................................................................................30
Recomendaciones..................................................................................................................31
Bibliografía...........................................................................................................................33
Introducción
Los lignosulfonatos ferrocrómicos fueron empleados por primera vez en el año
1956, para reducir la viscosidad y las resistencias de geles en lodos de yeso. Estos
dispersantes mostraron su eficacia en tal grado que se les ensayó en lodos de otros tipos y
se comprobó su utilidad en lodos simples, en lodos salinos y en lodos tratados con calcio.
El empleo de estos productos, los lignosulfonatos de cromo, como acondicionadores
universales de lodos fue ampliamente aceptado hacia 1960.
Los lodos de tipo lignosulfonato son de gran importancia en la perforación de
pozos, debido a que generalmente se obtienen mayores velocidades de perforación
mediante su uso, especialmente cuando se mantienen bajas concentraciones de sólidos. El
aumento de la velocidad de perforación trae como resultado un aumento de la estabilidad de
las paredes del pozo, debido principalmente al mejoramiento en las propiedades de flujo, lo
que a su vez origina que se puedan perforar pozos en menor tiempo, aumentando de esta
manera la rentabilidad de los proyectos.
Durante el proceso de perforación se atraviesan muchas zonas que contaminan el
lodo, causando que muchas de sus propiedades se vean alteradas, las contaminaciones con
sal pueden estar presentes en los domos salinos y los flujos de agua salada.
Este informe tiene como finalidad estudiar el comportamiento reológico de un lodo
tratado con lignosulfonato y analizar la variación de sus propiedades al enfrentarse con una
contaminación con sal, lo cual es un evento muy común durante la perforación de un pozo.
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Marco Teórico
A fin de comprender los términos utilizados durante la realización del informe se presentan
una serie de términos frecuentemente utilizados al hablar de lodos o fluidos de perforación,
los cuales son:
Densidad: Se define como el peso del lodo por unidad de volumen y depende de la
cantidad y gravedad especifica del líquido dispersante y de los sólidos en suspensión. Es el
principal factor para el control de lodo en la perforación, por medio de esta, se controla la
presión de la formación y controla también el derrumbe en áreas que han sido
tectónicamente activadas.
Viscosidad: Es la resistencia interna que ofrece un fluido. Una suspensión coloidal, como
un lodo de perforación no tiene viscosidad constante a una temperatura y presión dada. Esta
en la perforación ejerce el control de la reología ajustándolo mediante el control de sólidos,
el contenido de agua y la adición de aditivos químicos.
Viscosidad Plástica: Es aquella parte de la resistencia a fluir causada por la fricción
mecánica. Para reducir la fricción se utilizan aditivos conocidos como lubricantes.
Punto Cedente: Es la resistencia al flujo causada por las fuerzas de atracción entre las
partículas sólidas del lodo. Esta fuerza es consecuencia de las cargas eléctricas sobre las
superficies de las partículas dispersas en la fase fluida. En la perforación es importante por
ser responsable del acarreo de los ripios de perforación.
Resistencia de Gel: Es una medición de la fuerza mínima o tensión de corte, necesaria para
producir un deslizamiento en un fluido, después de que este ha estado en reposo durante un
determinado periodo de tiempo, y representa la calidad o condición de tixotropía. En la
perforación hay que tener cuidado con esta al detener la perforación porque de reiniciarse el
bombeo bruscamente puede ocasionarse daño a la formación.
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Filtración: La filtración es un proceso que consiste en separar la fase sólida de un lodo de
la fase líquida, en donde los sólidos están suspendidos y al hacerlos pasar a través de un
medio poroso, por el cual el líquido puede penetrar fácilmente. Esto ocurre cuando se
somete al lodo a un diferencial de presión positivo. El líquido a filtrar se denomina
suspensión; el líquido que se filtra, el filtrado, y la capa de material sólido que se deposita
en el filtro se conoce como revoque.
Filtrado: La perdida de filtrado depende de las propiedades de la roca perforada, es decir
de la permeabilidad de la formación, composición y temperatura del lodo. En la perforación
es importante controlarlo mediante aditivos especiales que permitan regularlo y obtener un
revoque fino y delgado que no dañe la formación.
Ph: Es una medida que indica el grado de acidez o basicidad de una solución acuosa. Indica
que tan ácido o básico es un lodo, pero no determina el ion o los iones de esa acidez o
alcalinidad. Por lo tanto, acidez y alcalinidad no es lo mismo a pesar de estar estrechamente
relacionadas. El conocimiento del Ph es importante, porque al relacionarse con la
alcalinidad genera un factor primordial en la determinación de los diferentes contaminantes
de un fluido de perforación.
Dispersión: Cuando la fuerza de atracción entre las partículas se debilita por entrada de
agua tendiendo a separarse individualmente. Las caras cargadas de forma negativa se atraen
con los bordes de las caras positivas
Dispersante: Es un aditivo que se utiliza para lograr que un soluto tenga distribución y
dispersión en un solvente. Una de las principales propiedades de los lignosulfonatos es su
capacidad de dispersar partículas sólidas en medio acuoso. Por medio de un mecanismo
electrocinético, típico de sus moléculas, cargas negativas son transferidas a las partículas
sólidas, resultando en repelencia entre ellas. Así, se consigue obtener suspensiones bastante
estables, reducción de la viscosidad y otros efectos tensoactivos
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LODOS DE LIGNOSULFONATO
Aplicaciones de los lodos de Lignosulfonato
Se cree que los lignosulfonatos de cromo se fijan sobre las partículas, de arcilla por
atracción de valencias del borde del enlace fracturado, reduciendo de esa manera la
fuerza atractiva entre las partículas. Este fenómeno explica la habilidad del
dispersante para reducir la viscosidad y la resistencia de gel. Se cree también que, en
altas concentraciones, el lignosulfonato, por adsorción masiva sobre la estructura de
la arcilla, tiene un efecto bloqueante que minimiza la reacción de intercambio de
bases. Este efecto bloqueador y taponador se supone es en parte debido al ión
crómico, en razón de su naturaleza trivalente. La adsorción masiva de los cationes de
lignosulfonato crómico sobre la partícula de arcilla tiende también a suprimir la
hidratación de las partículas de arcilla, por su efecto bloqueante. En consecuencia, los
lodos tratados con altas concentraciones de lignosulfonatos crómico poseen
cualidades inhibitorias las cuales tienden a mantener las arcillas de la formación en su
condición natural.
Los tratamientos con lignosulfonato de cromo proveen un excelente control de la
reología del lodo así como estabilidad de las paredes del pozo. El dispersante actúa
también como agente efectivo de control de filtrado debido al efecto taponante de las
sales ferrocromicas y a la máxima dispersión que se logra. Las sales de metales
pesados en estos lignosulfonatos modificados no se descomponen fácilmente a
temperaturas elevadas. Esta característica permite tener buena dispersión a
temperatura que provocarían la descomposición de muchos otros reductores
orgánicos de la viscosidad. En consecuencia, los lodos de lignosulfonato crómico, al
mantener bajo pH y baja concentración de iones calcio, son estables a temperaturas
por encima de 400°F.
Los lodos de lignosulfonato son compatibles con diversos aditivos que se pueden
añadir, si se considera necesario, para lograr un mejoramiento de las propiedades del
lodo. Adiciones suplementarias de lignitos naturales y de otras sustancias orgánicas
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se utilizan a veces para control de filtración. Para una mejor estabilización de la
viscosidad y de la resistencia de gel en pozos con alta temperatura se emplean a veces
el cromato de sodio (Na2CrO4) o el dicromato de sodio (Na2Cr2O7) como aditivos a
los lodos de lignosulfonato.
A menudo se obtienen mayores velocidades de perforación mediante el uso de los
lodos de lignosulfonato, especialmente cuando se mantienen bajas concentraciones de
sólidos. El aumento de la velocidad de perforación se deber principalmente a
mejoramiento en las propiedades de flujo y, como resultado de ello, a una mejor
hidráulica y a un aumento de la estabilidad de las paredes del pozo.
Conversión
Los lodos de lignosulfonato de cromo son muy flexibles; los tratamientos se pueden
modificar para cumplir con los requerimientos determinados por la variación de las
propiedades del lodo a medida que progresa la perforación. En algunas áreas, en la
porción superior del pozo se emplean tratamientos químicos livianos de
lignosulfonato caustificado, suplementado con fosfatos. A medida que la perforación
progresa, se aumenta el tratamiento de lignosulfonato hasta alcanzar una
concentración de 6 a 12 ppb en el sistema de lodo. Las concentraciones mas altas de
lignosulfonato (10 a 12ppb) ofrecen muchas ventajas, tales como inhibición, control
de filtrado, dispersión máxima, estabilidad térmica y estabilidad de las paredes del
pozo, y hacen al lodo relativamente inmune a la contaminación con cemento, cal y
yeso. La concentración de sólidos debe mantenerse en el rango apropiado mediante la
centrifugación y/o dilución con agua. Debe añadirse diariamente bentonita para el
control de filtración en el fondo del pozo, de acuerdo con las mediciones en el filtro-
prensa HT-HP. Las adiciones de bentonita ayudan a minimizar el riesgo de
pegamiento a la pared al lograr una baja pérdida de filtrado en el fondo del pozo y
una mejor textura del revoque, y al permitir una baja concentración de sólidos. El pH
de los lodos de lignosulfonato es llevado normalmente a 9,0-10,5 con soda cáustica,
pero se puede variar para cubrir requerimientos específicos. Más importante que el
pH es el control del p1 entre 0,2 y 1,0cm3.
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Algunos operadores pueden preferir perforar la porción superior del pozo con un tipo
diferente de dispersante o tal vez sin ningún tratamiento químico. En ese caso,
cuando la perforación ha progresado hasta un punto en que la obtención de las
propiedades deseables en el lodo es mas critica, se convierte a un lodo de
lignosulfonato mediante grandes adiciones de lignosulfonato en el curso de una o dos
circulaciones. Si se planea realizar este tipo de conversión es necesario que el lodo
posea una baja concentración de sólidos. Si los sólidos son demasiado altos, debe
añadirse agua al lodo para una dilución adecuada de los mismos.
1. Puede ser deseable, en un lodo no densificado, si no se hace daño a las paredes del
pozo, reducir la viscosidad con agua hasta 32 a 35seg/qt.
2. Se añaden entonces, 4 a 8 ppb de lignosulfonato de cromo, junto con la cantidad de
soda cáustica para lograr un P1 de 0,2-0,8.
3. Si el pH del lodo al comienzo es de 7,5 a 8,5 aproximadamente, se requerirán de 1 a
2 ppb de soda cáustica.
4. El dispersante y la soda cáustica deben ser mezclados en una sola circulación si es
posible; por ejemplo, añadiendo el dispersante por el embudo y la soda cáustica en
la pileta de succión a partir de un barril químico.
5. Antes de la adición del lignosulfonato deben añadirse entre 2 y 5 ppb de bentonita.
Si se deja la adición de bentonita para después del lignosulfonato, se necesitará más
bentonita.
6. Si el agua de preparación es dura o si el lodo contiene calcio, se pueden emplear
carbonato de sodio o fosfato para la remoción del calcio. Estas sustancias se pueden
aplicar en cada turno, pero se deben emplear solamente cuando hay calcio en el
lodo. Sin embargo, la practica varia según las localidades. En algunas áreas el
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calcio es tolerado en el sistema y aparentemente no produce efectos deletéreos sobre
las propiedades del lodo, a menos que prevalezcan altas temperaturas.
7. Si se añade diesel al sistema de lodo, generalmente no se necesita otro
emulsionante, dado que el lignosulfonato es un excelente emulsionante. El diesel
puede añadirse simultáneamente con el lignosulfonato. Si una reducción en la
densidad del lodo no es admisible, debe mezclarse barita mientras se añade el
diesel. Sin embargo, esto debe hacerse después de haber añadido la bentonita y las
sustancias químicas.
Ventajas de utilizar lodos de lignosulfonato
Los lodos de lignosulfonato tienen sobre los lodos tratados con calcio (tales
como los lodos de yeso o de cal) la ventaja de no presentar un “pico” de
conversión durante la conversión. Esta ventaja permite convertir a mayores
profundidades sin riesgo de daño al pozo, permitiendo así posibles ahorros en
el costo del lodo. Esto permite también la conversión de lodos de alta
densidad sin necesidad de diluirlos, lo que es una ventaja si se encuentran
dificultades en un pozo que empela lodo densificado, como el de tipo de bajo
pH, y si se desea la conversión a un lodo de tipo inhibidor.
Los lodos de lignosulfonato son frecuentemente tratados y usados como
fluidos de empaque. Estos lodos hacen excelentes fluidos de empaque debido
a su estabilidad térmica y su capacidad de mantener en el pozo buenas
propiedades de flujo por periodos prolongados. Para hacer un buen fluido de
empaque el lodo de perforación se suele diluir para disminuir la concentración
de sólidos; puede añadirse gel nueva (bentonita) y CMC para mejorar las
propiedades. Si la temperatura en el fondo del pozo está por encima de 300°F
no debe usarse IMCO CMC. Deberá añadirse un tratamiento adicional de
lignosulfonato (½ a 3 ppb) y opcionalmente de lignito (½ a 2ppb), junto con
la cantidad de soda cáustica necesaria para mantener un ph de 9,0
(P1=0,2cm3). La cantidad de dispersante requerido dependerá del tratamiento
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previo experimentado por el lodo, la concentración de sólidos y la
temperatura en el fondo del pozo. Añádase ¼ a ½ ppb de cromato o
dicromato de sodio a través del barril químico, en el curso de una circulación
completa, o mas circulaciones si fuere necesario. La viscosidad y la densidad
deben ser verificadas frecuentemente a la entrada y a la salida, para estar
seguros que están en el rango adecuado. Si hay calcio en el lodo (determinar
por medio de la prueba cuantitativa con versenato), debe emplearse un agente
precipitante para su eliminación (p. Ej., carbonato de sodio o fosfato). La
presencia de calcio en un lodo de pH elevado tiende a reaccionar con la sílice
en las partículas de arcilla dando origen a cementacion a altos niveles de
temperatura (300°F o más).
Los lodos de lignosulfonato de cromo ofrecen la ventaja adicional de ser
resistentes a la contaminación normal por iones calcio o por cloruro de sodio.
Cuando se perfora cemento, el contaminante puede ser tolerado mediante el
tratamiento con lignosulfonato adicional para lograr el control de la
viscosidad y la resistencia de gel, o bien eliminado por medio de sustancias
químicas, tales como el bicarbonato o el IMCO SAPP. El tratamiento previo
evitará la alteración de las propiedades del lodo, y el empleo de bicarbonato
de sodio, carbonato de sodio (si el pH no es demasiado alto), o SAPP evitará
los aumentos en la pérdida de filtrado. La adición suplementaria de in
lignosulfonato junto con el agente precipitante, dará por resultado una mejor
dispersión y menor pérdida de filtrado.
Resumen de las ventajas de los lodos de lignosulfonato de cromo:
1. No hay “pico” de conversión como en los lodos de cal o yeso.
2. Las profundidades de conversión pueden ampliarse; los lodos densificados
se pueden convertir sin necesidad de diluirlos.
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3. Los lodos de lignosulfonato son ideales cuando prevalecen altas
temperaturas en el fondo del pozo.
4. Se trata de sistemas simples y fáciles de mantener.
5. Cuando se mantiene adecuadamente, la tendencia a pegamiento diferencial
es minima.
6. Con alta concentración (10 a 12pbb) estos sistemas son buenos inhibidores.
7. Estos sistemas se caracterizan por su buena tolerancia a los contaminantes.
8. Los lodos de lignosulfonato proveen excelente control de pérdida de filtrado
en el fondo del pozo.
Si bien los lodos de lignosulfonato ofrecen muchas ventajas, hay situaciones en que el
empleo de lodos tratados con calcio (lodos de cal o de yeso) puede resultar mas practico.
Los lodos de lignosulfonato no ofrecen el mismo grado de cualidades inhibitorias. Por
consiguiente, en áreas cuyas formaciones son problemáticas, los lodos tratados con cal
pueden ser más aconsejables. Sin embargo, los lignosulfonatos se emplean con mucha
frecuencia en lodos tratados con calcio como dispersantes y para control de filtrado.
Potasa cáustica: Es el nombre común dado al hidróxido de potasio (KOH). Se emplea a
veces para dar estabilidad al pH y como un inhibidor para las lutitas hidratables.
Enviro-Thin (Adelgazante): Lignosulfonatos de hierro sin cromo, reduce los valores
reológicos del fluido y la velocidad de filtración de los fluidos de perforación base agua. La
ausencia de cromo hace que este producto resulte ideal para zonas donde las
consideraciones ambientales imponen limitaciones a la presencia de cromo en los fluidos de
perforación.
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Aplicaciones y Funciones del Enviro-Thin
Reducir las propiedades de flujo en todo tipo de fluidos de perforación base
agua
Permitir un control efectivo de las velocidades de filtración en lodos base
agua próximos a los 350ºF (177ºC)
Ventajas del Enviro-Thin
Adelgazante libre de cromo de baja toxicidad para zonas con limitaciones
ambientales
Es efectivo en presencia de contaminaciones de sólidos, sal, cemento y
anhidrita Estable a temperaturas próximas a los 350ºF (177ºC)
Efectivo en rangos de bajo pH (8.0-9.5)
Propiedades Características del Enviro-Thin
Apariencia de polvo color oscuro
pH (solución acuosa 5%) 3.5
Spersene: El lignosulfonato de cromo SPERSENE* es un desfloculante multiuso, reductor
de esfuerzos de gel, estabilizador de temperatura y aditivo de control de filtración cuyo uso
está destinado a todos los sistemas base agua.
El lignosulfonato de ferrocromo SPERSENE* I es un desfloculante multiuso, reductor de
esfuerzos de gel, estabilizador de temperatura, inhibidor y aditivo de control de filtración
cuyo uso está destinado a todos los sistemas base agua.
Propiedades Físicas Típicas del Spersene
Apariencia Física: Polvo café
Gravedad Específica: 1.2
pH (solución de 1%): 4
Densidad Aparente: 37 lb/pie3 (590 kg/m3)
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Aplicaciones del Spersene
El producto SPERSENE I ha comprobado ser un excelente desfloculante multiuso y agente
de control de filtrado. Es efectivo para el control de la viscosidad y reducción del filtrado
de todos los sistemas de lodo base agua, incluyendo los sistemas de agua dulce, agua
salobre, agua de mar, cal, yeso y potasio. El producto ha demostrado tener capacidades de
desfloculación superiores, incluso ante la presencia de contaminantes y a elevadas
temperaturas.
Los tratamientos normales del desfloculante SPERSENE I oscilan entre 1 y 12 lb/bbl (2.85
a 34.2 kg/m3). Los tratamientos iniciales están por lo general en un rango de 1 a 6 lb/bbl
(2.85 a 17.1 kg/m3), dependiendo del sistema de lodo, las concentraciones de sólidos y los
resultados deseados. Los tratamientos pueden agregarse fácilmente al sistema a través de la
tolva de lodo.
Debido al bajo pH del producto, los tratamientos de SPERSENE I requieren de soda
cáustica o un material alcalino alterno para conservar un nivel de pH constante. Una
relación normal consiste en 1 saco de soda cáustica por cada 4 sacos de producto
SPERSENE I. El lignosulfonato de ferrocromo SPERSENE I es más efectivo en sistemas
de lodo con un pH alcalino que oscile entre 9 y 11. Para los sistemas con un pH más bajo,
se puede premezclar el producto en una solución de mayor alcalinidad antes de agregarlo al
sistema de lodo activo.
Ventajas del Spersene
Desfloculante y estabilizador reológico altamente efectivo
Compatible con todos los sistemas de lodo base agua
Tolerancia de temperatura entre 275° y 325°F (de 135 a 163°C)
Ayuda a reducir el filtrado sin altas concentraciones de arcilla ni aditivos de
control de la filtración.
Inhibe de forma efectiva los recortes de bentonita y/o la hidratación de lutitas
cuando se utiliza en suficientes concentraciones.
Tolera y sigue funcionando ante la presencia de contaminantes.
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Contiene el estado de valencia de cromo más aceptable Cr+3.
Limitaciones del Spersene
Es más efectivo en sistemas alcalinos con un pH de 9.5 o mayor.
Contiene cromo, el cuál podría no resultar aceptable para todas las
aplicaciones, dependiendo de las regulaciones y consideraciones ambientales.
Para este tipo de aplicaciones se tiene disponible el lignosulfonato libre de
cromo SPERSENE I CF*.
Toxicidad y Manejo del Spersene
Debe ser manejado como un producto químico industrial, usando equipo de protección
personal y siguiendo las precauciones descritas en la Hoja de Transporte y la Hoja de Datos
de Seguridad de los Materiales.
Empaque y Almacenamiento del Spersene
El producto SPERSENE I viene en sacos de papel de capas múltiples de 22.7 kg.
Se debe almacenar en un área seca, alejado de fuentes de calor o ignición y minimizar la
presencia de polvo.
Q-Broxin: El producto Q-Broxin (lignosulfonato modificado), es un aditivo constituido por
un cromolignosulfonato de sodio modificado (PH 4,0). El dispersante Q-Broxin contribuye
al control de la perdida de filtrado en los lodos de agua dulce, el lodo de calcio (yeso, cal, y
cloruro de calcio) y en los lodos de agua salada (entre salobre y saturada). Es efectivo
dentro de un amplio rango de (PH 7,0 a 12,0), y es excelente para tratar la contaminación
con yeso o anhidrita, cemento o sal.
Cuando se emplea a concentraciones más altas el Q-Broxin sirve como un lodo inhibidor
sin adición de sales de calcio. También elimina o reduce la necesidad de agente de control
de filtrados adicionales (el PH se controla usualmente entre 9,0 a 9,5 con soda cáustica).
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El Q-Broxin es eficaz a altas temperaturas (300 a 400 °F), y es compatible con otros
aditivos de lodo. También es un excelente emulsionante de petróleo crudo diesel.
Tratamiento Óptimo Normal del Q-Broxin
Dispersantes para lodos de agua dulce, 1 a 3 ppb.
Tratamiento para contaminación con yeso, sal o cemento, 2 a 4 ppb.
Dispersantes para lodos con cal, 2 a 5 ppb.
Dispersantes para lodos de yeso, 3 a 6 ppb.
Como sistema de lignosulfonato inhibitorio, 6 a 10 ppb.
Dispersantes para lodos salinos, 2 a 6 ppb.
Dispersantes para lodos de agua de mar, 4 a 10 ppb.
Para bajar perdida de filtrado, 4 a 10 ppb.
Para estabilidad térmica (superior a 300°F), 8 a 10 ppb.
Carbonox: Es un lignito procesado (PH 4.5). Su aplicación principal es como dispersante
en lodo de agua dulce. Estabiliza emulsiones de petróleo en agua, da un buen control de la
velocidad de filtración y es excelente en cuanto a estabilidad térmica. Su rango óptimo del
PH está entre 8,5 y 9,5. El lignito procesado es especialmente deseable en lodos de
emulsión de bajo PH.
Tratamiento Óptimo Normal del Carbonox
Dispersante para lodos de agua dulce, 1 a 3 ppb.
Estabilizador de emulsión 1 a 2 ppb.
Control de filtración, 2 a 8 ppb.
Estabilidad térmica, 3 a 5 ppb.
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CONTAMINANTES DE LODOS
Se entiende por contaminante de lodo cualquier factor o sustancia extraña que cause
cambios indeseables en las propiedades físico-químicas del lodo. Los contaminantes
pueden ser parte integral de la formación, ser introducido desde la superficie o puede
también ser el resultado de un sobre tratamiento.
Contaminación con sal común (NaCl)
La sal puede penetrar en el lodo a partir de diversas fuentes. Se ioniza dando Na+ y
Cl- en la fase continua. El nivel de sal en el lodo se mide del ensayo de cloruros sin
embargo el ión sodio (Na+) es el que ejerce un mayor impacto sobre el lodo.
No existe un método químico de tratamiento que sea económico para remover el
cloruro de sodio (NaCl). El único recurso práctico es diluir con agua y hacer un nuevo lodo.
Otra alternativa es utilizar un lodo que tolere la sal, como los lodos en estado de floculación
o un lodo a base de aceite. En algunos casos cuando la concentración de cloruro de sodio es
menor de 10.000 ppm se puede tratar con dispersantes orgánicos y fosfatos.
Fuentes de contaminación con sal
A medida que se profundiza la perforación se encuentran diferentes tipos de sales
minerales que constituyen una fuente de contaminación con sal al lodo de perforación como
lo son: halita, Sylvita, Carnalita, etc. otras fuentes de contaminación de sal la constituyen
los domos salinos y los flujos de agua salada.
Agua de Formación : Un influjo de agua salada un incremento de volumen en los tanques
y, por lo tanto, una disminución en la densidad del lodo.
Domos de sal: Son estratos masivos de sal que al ser perforados se disuelven formando
cavernas.
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Propiedades del lodo que se ven afectadas por la contaminación con sal:
Aumento del Punto Cedente: Se produce por la reducción de las cargas eléctricas
entre las láminas de la arcilla.
Aumento de la Resistencia de Gel: La acumulación de sólidos se hace más evidente,
no hay dispersión de las arcillas.
Aumento del Volumen de Filtrado: Debido a la formación de un revoque grueso que
presentan gránulos por la formación de flóculos.
Disminución del Ph: Los iones de sodio (Na+) desplazan a los iones de hidrógeno
(H+) en la estructura de las arcillas, teniendo como consecuencia el aumento en la
concentración de los iones de hidrógeno y esto determina directamente una
disminución del Ph.
Aumento de la Viscosidad Plástica: Todos estos efectos serán menores si el nivel de
los sólidos es bajo, si se ha inhibido la hidratación de las arcillas, si hay dispersantes
activos en el lodo o si el aumento de sal es gradual.
Agentes químicos empleados en el tratamiento de lodos contaminados con sal.
Generalmente los lodos que presentan una elevada contaminación con sal y
especialmente los que se caracterizan por presentar una gran perdida de filtrado son
tratados con aditivos químicos que permiten minimizar el paso del filtrado hacia la
formación, siendo los mas empleados los llamados controladores de filtrado y los
adelgazantes, sin embargo el uso de los mismos esta restringido según el motivo o la causa
que da origen a tal situación. En el caso de los lodos contaminados con sal la perdida del
filtrado puede ser controlada mediante el uso de controladores como el CC-16 el cual es un
aditivo que disminuye el efecto de los contaminantes sobre las propiedades de los fluidos,
favoreciendo especialmente a la disminución de la velocidad de la perdida de filtrado o
también pueden usarse otros controladores como el CARBONOX y el Q-BROXIN ya que
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estos provocan el mismo efecto que el CC-16. Sin embargo otra forma de tratar esta
situación es con el uso de adelgazantes, específicamente mediante el uso del ENVIRO-
THIN ya que este reduce las propiedades de flujo en los fluidos, principalmente sobre todo
en los sistemas de base agua.
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Procedimientos y Equipos Utilizados
Densidad o Peso: El fluido de perforación debe tener una densidad tal que la
presión hidrostática originada en cualquier punto del hoyo sea mayor que la presión de
formación en un punto correspondiente. Para todos los propósitos prácticos, densidad
significa peso por unidad de volumen; quiere decir que al realizar un ensayo de Densidad lo
que se esta es pesando un volumen de lodo, el cual puede expresarse en: Kg./lt, k.o./m3,
Lbs/gal o Lbs/pie3
Equipo Utilizado: Balanza para Lodos
8.33 9.010.0 11.0 12.0 13.0
14.015.0 16.0
17.018.0 19.0 20.0 21.0
7.00
Lbs/gal48.00
48.0048.00
48.0048.00
48.00
48.0048.00
48.00
21.0
Lbs/cu.ft
NIVEL
TAPA O-RING
PESAS DE AJUSTE
TORNILLO
BRAZO
BRAZO
BRAZO
BASE
NIVEL
8.33 9.010.0 11.0 12.0 13.0
14.015.0 16.0
17.018.0 19.0 20.0 21.0
7.00
Lbs/gal48.00
48.0048.00
48.0048.00
48.00
48.0048.00
48.00
21.0
Lbs/cu.ft
NIVEL
TAPA O-RING
PESAS DE AJUSTE
TORNILLO
BRAZO
BRAZO
BRAZO
BASE
NIVEL
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Medición de la Densidad del Lodo:
1. Se quita la tapa del vaso y llenar completamente el vaso con el lodo.
2. Volver a poner la tapa y girar hasta que este firmemente asentada, asegurándose
que parte del lodo sea expulsado a través del agujero de la tapa.
3. Limpiar el lodo que esta a fuera del vaso y secar el vaso.
4. colocar el brazo de la balanza sobre la base, con el cuchillo descansando sobre el
punto de apoyo.
5. Desplazar el caballero hasta que el nivel de burbuja de aire indique que el brazo
graduado esta nivelado.
6. En el borde del caballero más cercano del brazo, leer la densidad o el peso del
lodo.
7. Ajustar el resultado a la graduación de la escala mas próxima, en lb/ gal, lb / pies.
Luego de cada lectura de densidad, es obligatorio lavar y secar la balanza para lodos con la
finalidad de no pierda la calibración y obtener resultados erróneos en próximas experiencias
Equipo Utilizado: Viscosímetro Rotacional
Constituido por un rotor exterior que gira dentro de un vaso mediante un motor
eléctrico. Una caja de velocidades que actúa mediante un sistema de engranajes, hace girar
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el rotor a 3-6-100-200-300 y 600 revoluciones por minuto (rpm), (Fig. 2). Al girar, el rotor
produce un cierto arrastre de un estator concéntrico al mismo. Este arrastre se mide
mediante una balanza de torsión, que indica la fuerza desarrollada en un dial graduado.
El instrumento está diseñado en forma tal que se puedan hacer lecturas directas en
unidades adecuadas (deflexiones)
Procedimiento:
1. Colocar una muestra recientemente agitada dentro de un vaso térmico y ajustar la
superficie del lodo al nivel de la línea trazada en el manguito del rotor.
2. calentar o enfriar la muestra hasta 120º F (49ºF). agitar lentamente mientras se ajusta la
temperatura.
3. Se pone en marcha el motor colocando el conmutador en la posición de alta velocidad,
con la palanca de cambio de velocidad en la posición mas baja. Esperar que el
cuadrante indique un valor constante y registrar la indicación obtenida a 600rpm.
Cambiar la velocidades solamente cuando el motor esta en marcha.
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4. ajustar el conmutador a la velocidad de 300rpm. Esperar que el cuadrante indique un
valor constante y registrar el valor indicado para 300rpm.
5. viscosidad plástica en centipoise: indicación a 600 rpm menos la indicación a 300rpm
6. punto cedente en lb/100 pies: indicación a 300rpm menos la viscosidad plástica en
centipoise.
7. viscosidad aparente en centipoise: indicación a 600 rpm dividida entre 2.
Nota: El cambio de una velocidad a otra se hace por medio de un engranaje (perilla o botón
rojo). Para evitar daños en el aparato, se debe efectuar el cambio de velocidad con el motor en
funcionamiento
Procedimiento para determinar los esfuerzos de gel
1. Agitar la muestra a 600 rpm durante aproximadamente 15 seg. y levantar
lentamente el mecanismo de cambio de velocidad hasta la posición neutra.
2. Apagar el motor y esperar 10 segundos
3. Poner el conmutador en la posición de baja velocidad y registrar las unidades de
deflexión máxima en lb./ 100pies como esfuerzo de gel inicial. Si el indicador del
cuadrante no vuelve a ponerse a cero con el motor apagado, no se debe
reposicionar el conmutador.
4. Repetir las etapas 1 y 2, pero dejar un tiempo de 10 minutos y luego poner al
conmutador en la posición de baja velocidad y registrar las unidades de deflexión
máxima como esfuerzo de gel a 10 minutos.
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Equipo utilizado: Retorta
Para determinar el contenido de sólidos y líquidos se utiliza la retorta. Se coloca lodo
en un recipiente de acero y se calienta hasta que los componentes líquidos se hayan
vaporizado. Los vapores pasan a través de un condensador y se recogen en forma liquida en
un cilindro graduado. Los sólidos se determinan por diferencia.
Procedimiento:
1. Dejar que la muestra de lodo se enfríe a la temperatura ambiente.
2. Desmontar la retorta y lubricar las roscas con silicón. Llenar el vaso de muestra con el
fluido a probar casi hasta el nivel máximo .colocar la tapa del vaso de muestra girando
firmemente y escurriendo el exceso de fluido para obtener el volumen exacto, se
requiere un volumen de 10, 20 o 50ml. Limpiar el fluido derramado sobre la tapa y la
rosca .
3. Llenar la cámara de expansión superior con virutas finas de acero y luego atornillar el
vaso de muestra a la cámara de expansión. Las virutas de acero deberían atrapar lo
sólidos extraído por ebullición. Mantener el montaje vertical para evitar que el lodo
fluya dentro del tubo de drenaje.
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4. Introducir o atornillar el tubo de drenaje dentro de orificio en las extremidades del
condensador, asentándolo firmemente. el cilindro graduado que esta calibrado para
leer en porcentaje debería estar sujetado al condensador con abrazaderas.
5. Enchufar el cable de alimentación en el voltaje correcto y mantener la unidad encendida
hasta que termine la destilación, lo cual puede tardar 25 minutos según la característica
del contenido.
6. Dejar enfriar el destilado a la temperatura ambiente.
7. Leer el porcentaje de agua, petróleo y sólidos directamente de la probeta graduada.
8. Al final de la prueba, enfriar completamente, limpiar y secar el montaje de retorta.
Se determina para saber la cantidad de sólidos que están en el sistema, es decir si se
ha incrementado el porcentaje de sólidos del sistema o más bien ha disminuido, es decir que
ha entrado agua al sistema si se esta usando un lodo base agua.
Medidor Del pH
1. Limpiar los electrodos, lavarlo con agua destilada y secar.
2. Colocar las sondas dentro de la solución amortiguadora de ph 7,0.
3. Activar el medidor, esperar 60 segundos, para que la indicación se estabilice.
4. Medir la temperatura de la solución amortiguadora de ph 7,0.
5. Si el medidor calibra correctamente, enjuagar y secar los electrodos. Colocar la
muestra a probar. Esperar unos 60 segundos para que la indicación se estabilice.
6. Registrar el ph medido, junto con la temperatura de la muestra probada. Indicar si se
probó el lodo o el filtrado.
7. Limpiar minuciosamente los electrodos, preparándolo para el próximo uso.
8. Desactivar el medidor y cerrar la tapa para proteger el instrumento.
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Resultados y Análisis
Parte I: Lodo de LignosulfonatoCaso I
Preparación:
3 Barriles equivalentes de agua (1050 ml)
90 lb/bbl de Bentonita
12 lb/bbl de Cal
28 lb/bbl de Enviro thim
140 lb/bbl de Barita
Balanza de Lodos:
Densidad obtenida → ρ = 9,6 LPG
En prácticas anteriores se ha utilizado menor cantidad de barita y sin embargo se
obtuvieron mayores densidades en el lodo; en este caso particular se utilizó mayor cantidad
de barita (densificante) pero se obtuvo una densidad relativamente baja de 9,6 LPG, la
razón para este comportamiento es la adición del lignosulfonato que actúa como un
dispersante de sólidos aumentando la distancia entre ellos, viéndose disminuida la
densidad.
Cabe resaltar que los lignosulfonatos no disminuyen el porcentaje de sólidos, sólo los
dispersan disminuyendo así la densidad del lodo.
Viscosímetro:
L 94 L 56 L 16
L 65 L 37 L 11
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Viscosidad Aparente:
Viscosidad Plástica:
Punto Cedente:
Resistencia de Geles:
10 Segundos ---------------------------------- 4 lb/100 pie²
10 Minutos ------------------------------------ 50 lb/100 pie²
Existe una apreciable diferencia entre la resistencia de gel obtenida a los 10 segundos y a
los 10 minutos, esta diferencia indica que el lodo estudiado posee una resistencia de gel de
tipo progresivo lo cual teóricamente indica acumulación de sólidos.
Medidor de pH:
pH agua: 4 (solución buffer)
Corrección: +3
pH lodo corregido : 7,86
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El pH obtenido es demasiado bajo, estos lodos se tratan con soda cáustica para poder elevar
su pH a 10.5 reduciendo de esta manera la necesidad de usar soda cáustica en la
formulación del lodo. Los lignosulfonatos defloculan a los lodos base agua al neutralizar las
cargas eléctricas de las arcillas, o sea, se adhieren a las partículas de bentonita
incrementando la carga superficial de las mismas a niveles de pH entre 9 y 10, lo cual causa
una repulsión entre esas partículas y por lo tanto una defloculación del lodo.
El bajo valor de pH obtenido es debido a la no disponibilidad de soda cáustica en el
laboratorio, se utilizó cal en reemplazo pero evidentemente no logró alcanzar el pH óptimo
para este tipo de lodos, la razón pudo ser que la cal disponible en el laboratorio se encuentre
desnaturalizada debido al tiempo que lleva almacenado bajo condiciones poco favorables.
Retorta:
Se obtuvieron los siguientes resultados:
Lo que indica una cantidad de sólidos respetable aunque se esperaba que esta cantidad de
sólidos fuera mayor por la cantidad de aditivos añadidos y por el aspecto que mostraba el
lodo al ser preparado en el laboratorio pero por la mala calibración y mal uso del equipo no
se obtuvo el resultado real del experimento.
18% Sólidos
82% Líquidos
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Parte II: Lodo de Lignosulfonato Contaminado con SalCaso I
Preparación:
3 Barriles equivalentes de agua (1050 ml)
90 lb/bbl de Bentonita
12 lb/bbl de Cal
28 lb/bbl de Enviro thim
140 lb/bbl de Barita
Contaminado con 12 grs. De sal (NaCl)
Balanza de Lodos:
Densidad obtenida → ρ = 9,7 LPG
La densidad, como ya se ha venido estudiando, es la relación de la masa y el volumen de un
determinado sistema. La densidad aumenta a medida que aumenta el porcentaje de sólidos.
Para este caso en particular, la densidad del lodo se vio ligeramente aumentada por la
adición de sal, el aumento en la densidad fue de cierto modo discreto puesto que los lodos
tratados con lignosulfonatos son bastantes resistentes a la contaminación con sal.
Viscosímetro:
L 170 L 96 L 35
L 115 L 72 L 30
Viscosidad Aparente:
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Al igual que la viscosidad plástica y el punto cedente, la viscosidad aparente
aumenta con la concentración de los sólidos, es notorio el incremento de la viscosidad,
obteniendo el comportamiento esperado. El efecto del aumento de la viscosidad aparente es
a causa de los intercambios catiónicos, y la floculación de los sistemas al ser contaminados.
Viscosidad Plástica:
La viscosidad plástica representa la resistencia que el fluido opone a fluir debido al roce y a
la velocidad en si, es la resistencia causada por la fricción mecánica.
Se observa como la viscosidad plástica es mayor para el lodo contaminado con sal
que el lodo original sin contaminar, porque cuando la sal entra al sistema, ésta causa un
aumento de las propiedades reológicas debido a que el sodio que posee la sal provoca
floculación en el sistema. Las partículas de arcillas que se encuentran negativamente
cargadas se agrupan alrededor de los iones de sodio aumentando así la viscosidad, las
arcillas experimentan una disminución de la capacidad de hidratación al quedar expuesta
con un medio que posee una elevada concentración de sales. Sin embargo los
lignosulfonatos resisten un poco más a los cambios de viscosidad en comparación con el
sistema agua-gel.
Punto Cedente:
El punto cedente se ve aumentado a causa de la contaminación con sal. La floculación
causada por la sal, se debe a que la sal al entrar en contacto con la fase fluida, aumenta la
fuerza de atracción entre las partículas, y por ende un incremento del punto cedente.
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Resistencia de Geles:
10 Segundos ---------------------------------- 40 lb/100 pie²
10 Minutos ------------------------------------ 148 lb/100 pie²
Al igual que en el sistema anterior existe una apreciable diferencia entre la resistencia de
gel obtenida a los 10 segundos y a los 10 minutos, lo que indica que este lodo también
posee una resistencia de gel de tipo progresivo lo cual teóricamente indica acumulación de
sólidos.
Medidor de pH:
pH agua: 7
Corrección: 0
pH lodo : 7,73
La contaminación con sal apenas provocó una ligera disminución del pH del lodo, esto es
debido a que las altas concentraciones de Na+, tienden a reemplazar algunos iones H+ en la
superficie de las arcillas y reducen el pH ligeramente o lo mantienen en un valor muy
cercano, es por esto que el pH del lodo se mantuvo prácticamente constante con respecto al
lodo original sin contaminar. Sin embargo es necesario acotar que el valor de pH es muy
bajo para lo acostumbrado y favorable para lodos de lignosulfonato.
Retorta:
Se obtuvieron los siguientes resultados:
Este experimento además de tener todos los aditivos aplicados al experimento anterior (del
lodo de lignosulfonato) tiene adicionalmente una cantidad de sal lo que teóricamente
16% Sólidos
84% Líquidos
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debería indicar una mayor cantidad de sólidos con respeto al sistema anterior, sin embargo,
se reporta que la cantidad de sólidos es menor, lo que muestra un resultado equivocado y
alejado de la realidad que pudo ser consecuencia de la mala calibración y mal uso del
equipo de la retorta.
Otros Valores Obtenidos
Caso II Lodo de Lignosulfonato
Bentonita (80lb/bl)
Cal (10lb/bl)
Enviro-Thin (25lb/bl)
Barita (120lb/bl)
Lodo de Lignosulfonato
Contaminado con Sal
Sal (8gr)
Densidad 9,4 LPG 9,0 LPG
Viscosidad Plástica 16 cps 22 cps
Viscosidad Aparente 25,5 cps 36,5 cps
Punto Cedente 19 lb /100pie² 29 lb /100pie²
Gel 10 seg. 14 lb /100pie² 15 lb /100pie²
Gel 10 min. 23 lb /100pie² 75 lb /100pie²
%Líquidos 96% 92%
%Sólidos 4% 8%
pH 7,23 Adm. 7,53 Adm.
Por teoría sabemos que a mayor cantidad de aditivos agregados habrá mayor cantidad de
sólidos y esto se comprueba con estos experimentos ya que en el caso I los resultados
obtenidos muestran mayor cantidad de sólidos que el caso II lo que es lógico ya que en los
caso I se aplico mayor cantidad de aditivos que en los caso II y muestra clara de esto es el
aumento en la viscosidad plástica en el caso I con respecto al caso II, al igual que el
porcentaje de sólidos es mayor en el caso I. Con la cantidad de aditivos agregados se puede
esperar que la viscosidad plástica hubiese sido mucho mayor en ambos caso, sin embargo,
el lodo lignosulfonato tiene como propiedad el de dispersar los sólidos y por tanto la
viscosidad plástica se vera reducida.
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Conclusiones
Los lignosulfonatos actúan como dispersantes, reducen la viscosidad y la resistencia
de gel de los lodos de perforación. Poseen un efecto bloqueante que minimiza la
reacción de intercambio de bases lo cual tiende a reducir la hidratación de las
partículas de arcilla.
Los lodos con lignosulfonatos ofrecen muchas ventajas, tales como inhibición, control
de filtrado, dispersión máxima, estabilidad térmica y estabilidad de las paredes del
pozo, y hacen al lodo relativamente inmune a la contaminación con cemento, cal y
yeso.
La contaminación de un lodo ocasiona cambios en sus propiedades reológicas.
Durante la perforación deben ser chequeadas continuamente las condiciones del lodo a
fin de solventar cualquier inconveniente producido por algún contaminante.
La contaminación con sal causa floculación, que produce aumento de las propiedades
reológicas y pérdida del filtrado.
Los lodos de lignosulfonato de cromo ofrecen la ventaja adicional de ser resistentes a
la contaminación normal por iones calcio o por cloruro de sodio.
El punto cedente es mayor en un lodo contaminado por cemento debido a la atracción
de sus partículas.
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Recomendaciones
Para futuras realizaciones de esta práctica se recomienda:
Evitar el uso excesivo de recipientes para la manipulación de las muestras de lodo, ya
que esto se origina perdidas en el volumen y dificulta y resta credibilidad a ciertas
pruebas.
Efectuar la medición de la reología a la muestra de lodo contaminado inmediatamente
después de su preparación para así evitar el efecto del tiempo sobre las mismas.
Añadir los agentes químicos empleados para el tratamiento respetando los tiempos de
mezclados establecidos.
Revisar la correcta calibración de los equipos a utilizar a fin de evitar errores de
apreciación y por ende resultados equivocados.
Recomendaciones para el Mantenimiento de Lodos de Lignosulfonato:
Los tratamientos en cada turno consistirán generalmente de unas 200lbs de soda
cáustica y unas 500lbs de lignosulfonato de cromo. Si emplean aditivos suplementarios,
tales como lignito, extracto de cicuta (o modificaciones de esas sustancias orgánicas), el
tratamiento será de 100 a 250 lbs por turno. Esas cantidades varían, por supuesto, según
el tamaño del pozo, las formaciones que se están perforando, la densidad del lodo y las
propiedades del lodo que se desean. Las cantidades empleadas se incrementarán
normalmente en lodos de alta densidad.
El mantenimiento de una concentración adecuada de sólidos coloidales es esencial para
el control de la pérdida de filtrado simulada en el fondo del pozo. En cada turno debe
añadirse bentonita.
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Los lignosulfonatos de cromo son dispersantes muy eficaces para la contaminación de
cloruro de sodio. La inclusión de pequeñas cantidades de sal no alterarán
sustancialmente las propiedades del lodo. Si se incorporan en el lodo cantidades grandes
de sal en un periodo corto de tiempo, es probable que ello dé por resultado un aumento
comprobable de viscosidad, resistencia de gel y pérdida de filtrado. Sin embargo, si se
ajusta el P1 entre 0,5 y 0,8cm3 con soda cáustica y se trata con cantidades adicionales
de lignosulfonato (1 a 5 ppb), pueden mantenerse buenas propiedades de flujo y un
buen control de filtrado. Los lodos densificados de lignosulfonato han tolerado niveles
de sal hasta de 100.000 pm manteniendo baja viscosidad y resistencia de gel, así como
buen control de filtrado.
Si un lodo de lignosulfonato es adecuadamente tratado y la concentración de sólidos no
es excesiva, la perforación de pequeñas vetas de anhidrita no afectará apreciablemente
las propiedades de flujo. Se producirá una reducción en el pH, lo que requerirá el
empleo de soda cáustica adicional, y puede producirse un aumento en la pérdida de
filtrado. Pueden desarrollarse resistencias de gel moderadas, pero el tratamiento con
cantidades adicionales de lignosulfonato compensará el efecto contaminante de la
anhidrita.
Si la contaminación se hace excesiva, con la consiguiente producción de elevados
geles, viscosidad y pérdida de filtrado, puede ser necesario el tratamiento con un agente
precipitante. Si se deben perforar grandes cantidades de anhidrita, probablemente lo más
económico será la conversión a un lodo de yeso. El pH del lodo debe mantenerse entre
9,0 y 10,5 con soda cáustica y, aumentando las adiciones de lignosulfonato se pueden
mantener las propiedades de flujo deseadas. Si se requiere una baja pérdida de filtrado,
puede ser necesario hacer adiciones suplementarias de IMCO CMC para control de
filtración.
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Bibliografía
Instituto de Desarrollo Profesional y Técnico CIED. Fluidos de Perforación y Control
de Sólidos. Caracas, Febrero de 1997.
MARTÍNEZ G., Rafael. Tecnología de fluidos de perforación. Año 1991
Instituto de Desarrollo Profesional y Técnico CIED. Cálculos Básicos en Lodo de Perforación. Caracas 1996
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