Capítulo 5 ARCILLAS
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Captulo 5
QUIMICA DE LAS ARCILLAS
5.1. USO DE ARCILLAS EN LODOS DE PERFORACION 114
5.2. TIPOS DE ARCILLAS 115
5.2.1. Ilitas (arcillas de tres capas) 115
5.2.2. Cloritas (arcillas de tres capas) 116
5.2.3. Kaolinitas (arcillas de dos capas) 116
5.2.4. Arcillas montmorillonticas (arcillas de tres capas) 117
5.3. HIDRATACION DE LAS ARCILLAS 119
5.4. RENDIMIENTO DE LAS ARCILLAS 121
5.5. OTROS MATERIALES VISCOSIFICANTES 123
5.6. CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATINICO 124
5.6.1. Prueba de azul de metileno (MBT) 126
5.6.1.1. Interpretacin 126
5.7. RESISTIVIDAD 128
5.7.1. Determinacin de Rm, Rmc y Rmf 129
http://guia.pdf/ -
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5. QUIMICA DE LAS ARCILLAS
5.1. USO DE ARCILLAS EN LODOS DE PERFORACION
Un entendimiento riguroso de las arcillas puede ser la herramienta ms
valiosa del ingeniero de lodos. La arcilla puede ser aadida intencionalmente
o puede entrar en el lodo como contaminante importante mediante la
dispersin de los slidos de perforacin. En cualquier caso, la arcilla se
convierte en una parte activa del sistema. Por este motivo, es necesario
entender la qumica bsica de las arcillas para controlar correctamente los
lodos base agua. La qumica de las arcillas tambin es importante en lo que
se refiere a las interacciones entre los lodos base agua y las lutitas que
afectan la estabilidad del pozo.
En la industria de fluidos de perforacin, ciertos minerales arcillosos tales
como la esmectita, uno de los principales componentes de la bentonita, son
usados para proporcionar viscosidad, estructura de gel y control de filtrado.
Las arcillas de la formacin se incorporan inevitablemente en el sistema de
fluido de perforacin durante las operaciones de perforacin y pueden causar
varios problemas. Por lo tanto, los minerales arcillosos pueden ser
beneficiosos o dainos para el sistema de fluido.
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5.2. TIPOS DE ARCILLAS
Existe un gran nmero de minerales arcillosos, pero los que nos interesan en
relacin con los fluidos de perforacin pueden ser clasificados en tres tipos.
El primer tipo consta de arcillas en forma de aguja no hinchables como la
atapulguita o la sepiolita. Se cree que la forma de las partculas es
responsable de la capacidad que la arcilla tiene para aumentar la viscosidad.
El tamao natural de cristales finos y la forma de aguja hacen que la arcilla
desarrolle una estructura de escobillas amontonadas en suspensin,
demostrando as una alta estabilidad coloidal, incluso en la presencia de una
alta concentracin de electrolitos. Debido a su forma y a sus caractersticas
no hinchables, estas arcillas demuestran un control de filtracin muy dbil.
Por este motivo, la atapulguita se usa principalmente como mejorador de
viscosidad en los lodos base agua salada, mientras que la sepiolita se usa
generalmente como viscosificador suplementario para los fluidos geotrmicos
y de alta temperatura. Estas arcillas no estn casi nunca presentes en las
lutitas de las formaciones.
El segundo tipo son las arcillas laminares no hinchables (o ligeramente
hinchables): ilita, clorita y kaolinita.
5.2.1. Ilitas (arcillas de tres capas)
Las ilitas tienen la misma estructura bsica que las montmorillonitas, pero no
muestran la capacidad de hinchamiento entre capas. En vez de lasustitucin de Al3+ por Mg2+ como en la montmorillonita, la ilita tiene una
sustitucin de Si4+ por Al3+, lo cual an produce una carga negativa. Los
cationes compensadores son principalmente el ion potasio (K+), como lo
indica la Figura 6. La carga negativa neta de la red que resulta de estas
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sustituciones, mediante los iones potasio compensadores, es generalmente
mayor que la carga de la montmorillonita, pudiendo ser hasta una vez y
media ms grande que sta.
5.2.2. Cloritas (arcillas de tres capas)
Las cloritas estn estructuralmente relacionadas con las arcillas de tres
capas. Las cloritas no se hinchan en su forma pura, pero puede hacerse que
hinchen ligeramente al ser modificadas. En estas arcillas, los cationes
compensadores de carga entre las capas unitarias de tipo montmorillonita
son reemplazados por una capa de hidrxido de magnesio octadrico, o
brucita (ver la Figura 6). Esta capa tiene una carga positiva neta debido a la
sustitucin de ciertos Mg2+ por Al3+ en la capa de brucita.
Las cloritas se encuentran frecuentemente en antiguos sedimentos marinos
enterrados a grandes profundidades, y normalmente no causan ningn
problema importante a menos que estn presentes en grandes cantidades.
5.2.3. Kaolinitas (arcillas de dos capas)
La kaolinita es una arcilla no hinchable cuyas capas unitarias estn
fuertemente ligadas mediante enlaces de hidrgeno. Esto impide la
expansin de la partcula, porque el agua no es capaz de penetrar en las
capas. La kaolinita no contiene cationes entre capas ni tiene cargas
superficiales porque no se produce casi ninguna sustitucin en las hojas
tetradricas u octadricas. Sin embargo, algunas pequeas cargas puedenresultar de los enlaces rotos o las impurezas. La kaolinita se encuentra
comnmente como componente menor a moderado (5 a 20%) de las rocas
sedimentarias tales como las lutitas y las areniscas.
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El tercer tipo son las montmorillonitas laminares muy hinchables.
5.2.4. Arcillas montmorillonticas (arcillas de tres capas)
La propiedad ms tpica de las montmorillonitas es la capacidad de
hinchamiento entre capas (hidratacin) con el agua (ver las Figuras 5 y 6).
Adems de la sustitucin del aluminio (Al3+) por el magnesio (Mg2+) en la
red de montmorillonita, muchas otras sustituciones pueden ser realizadas.
Por lo tanto, el nombre montmorillonita se usa frecuentemente como nombre
de grupo que incluye muchas estructuras minerales especficas. Sin
embargo, en los ltimos aos, se ha aceptado cada vez ms el nombre
esmectita como nombre de grupo, reservando el trmino montmorillonita para
los miembros predominantemente aluminosos del grupo. Este grupo de
minerales incluye la montmorillonita, la hectorita, la saponita, la nontronita y
otros minerales especficos.
La montmorillonita presente en las lutitas es generalmente la montmorillonita
clcica, porque est en equilibrio con el agua de la formacin, la cual es
generalmente rica en calcio.
La montmorillonita sdica (bentonita de Wyoming) tambin se aade
normalmente a un lodo para aumentar la viscosidad y reducir el filtrado. Las
propiedades de filtracin y reolgicas del lodo dependen de las cantidades de
las diferentes arcillas contenidas en el lodo. Como la montmorillonita es
aadida intencionalmente a un lodo para controlar estas propiedades, losotros tipos de arcillas pueden ser considerados como contaminantes, visto
que no son tan eficaces como una arcilla comercial.
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La arcilla que existe naturalmente tiene una estructura apilada o estratificada,
en la cual cada capa unitaria tiene un espesor de aproximadamente 10
angstroms (). Esto significa que cada milmetro de espesor consta de
aproximadamente un milln de capas de arcilla. Cada capa de arcillas esaltamente flexible, muy fina, y tiene un rea superficial enorme. Se puede
considerar que una partcula individual de arcilla es algo parecido a una hoja
de papel o un trozo de celofn.
Figura 23. Comparacin de la estructura de las arcillas.
Fuente. Manual de fluidos de M-I
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5.3. HIDRATACION DE LAS ARCILLAS
El cristal de bentonita se compone de tres capas: una capa de almina con
una capa de slice encima y otra debajo. La laminilla de arcilla est cargadanegativamente y una nube de cationes est relacionada con sta. Si un gran
nmero de estos cationes son sodio, la arcilla ser frecuentemente llamada
montmorillonita sdica. Si los cationes son principalmente calcio, la arcilla
Ser llamada montmorillonita clcica.
Segn el nmero de cationes presentes, el espacio entre capas de la
montmorillonita seca estar comprendido entre 9,8 (sodio) y 12,1 (calcio) y
lleno de agua fuertemente ligada. Cuando la arcilla seca entra en contacto
con agua dulce, el espacio entre capas se expande y la arcilla adsorbe una
gran envoltura de agua. Estos dos fenmenos permiten que las arcillas
generen viscosidad. Como lo indica la Figura 24, las bentonitas a base de
calcio slo se expanden hasta 17 , mientras que la bentonita sdica se
expande hasta 40 .
El espesor de la pelcula de agua adsorbida es controlado por el tipo y la
cantidad de cationes asociados con la arcilla. El agua que se adsorbe en las
grandes superficies planares contiene la mayor parte del agua total retenida
por las arcillas hidratables. Los cationes divalentes como Ca2+ y Mg2+
aumentan la fuerza de atraccin entre las laminillas, reduciendo as la
cantidad de agua que se puede adsorber. Los cationes monovalentes como
Na+ producen una fuerza de atraccin ms dbil, permitiendo que ms agua
penetre entre las laminillas.
Como la bentonita sdica se hincha cuatro veces ms que la bentonita
clcica, la bentonita sdica generar una viscosidad cuatro veces ms
importante. El captulo sobre los Sistemas a Base de Agua describe ms
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detalladamente el papel que el intercambio basado en el calcio desempea
en los sistemas tratados con calcio.
Figura 24. Comparacin de la hidratacin de la montmorillonita sdica yclcica
Fuente. Internet
Adems de adsorber el agua y los cationes en las superficies exteriores, la
esmectita absorbe agua y cationes en las superficies entre las capas de su
estructura cristalina. La esmectita tiene una capacidad de adsorcin de agua
mucho ms grande que otros minerales arcillosos.
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Las lutitas que contienen esmectita son las ms sensibles al agua y las ms
hidratables. Las lutitas que contienen otros minerales arcillosos tienen una
menor capacidad de hidratacin, aunque puedan ser sensibles al agua. La
mayora de las lutitas contienen varios tipos de arcillas en cantidadesvariables. La reactividad de una lutita depende de los tipos y de las
cantidades de minerales arcillosos presentes en la lutita
5.4. RENDIMIENTO DE LAS ARCILLAS
El rendimiento de las arcillas se define como el nmero de barriles de lodo de
15 cP (centipoise) que se puede obtener a partir de una tonelada de material
seco. La Figura 25 ilustra la razn por la cual se seleccion 15 cP como
valor determinante para el rendimiento. La parte crtica de la curva para
todos los tipos de arcilla aparece a 15 cP. Grandes adiciones de arcilla hasta
15 cP aumentan muy poco la viscosidad, mientras que las pequeas
cantidades de arcilla tienen un efecto marcado sobre la viscosidad de ms de
15 cP. Esto es cierto no solamente para las arcillas comerciales, sino
tambin para los slidos de perforacin hidratables. Tambin resulta vlido
que una suspensin de arcilla de 15 cP soportar la barita en los sistemas de
lodo densificado.
Este grfico puede ser muy til para el ingeniero de lodos. Para una
viscosidad determinada de las diferentes arcillas, se puede obtener datos
relacionados con la densidad de la lechada, el porcentaje de slidos en peso,
el rendimiento en barriles por tonelada, el porcentaje de slidos en volumen y
las libras de slidos por barril de lodo.
Este grfico puede ser muy til para el ingeniero de lodos. Para una
viscosidad determinada de las diferentes arcillas, se puede obtener datos
relacionados con la densidad de la lechada, el porcentaje de slidos en peso,
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el rendimiento en barriles por tonelada, el porcentaje de slidos en volumen y
las libras de slidos por barril de lodo.
Figura 25. Rendimiento de algunos tipos de arcillas
Fuente. Manual de laboratorio de lodos y cementos. UIS
Este grfico puede ser muy til para el ingeniero de lodos. Para una
viscosidad determinada de las diferentes arcillas, se puede obtener datos
relacionados con la densidad de la lechada, el porcentaje de slidos en peso,
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el rendimiento en barriles por tonelada, el porcentaje de slidos en volumen y
las libras de slidos por barril de lodo.
5.5. OTROS MATERIALES VISCOSIFICANTES
Adems de las arcillas que son los materiales mas comnmente usados para
darle viscosidad a los lodos, tenemos:
Asbestos: efectivos en agua fresca o salada, producen viscosidad
mecnicamente gracias a que las delgadas fibras que lo componen crean
un efecto de amontonamiento, tiene como desventaja el ser altamenteperjudicial para la salud ya que puede entrar fcilmente a los pulmones.
Polmeros: pueden ser naturales o sintticos, usualmente de alto peso
molecular. Polisacrido usado para generar viscosidad en agua fresca o
salada, provee viscosidad, yield y gel strenght en aguas salinas sin
necesidad de usar otros materiales coloidales tales como la bentonita; su
limitacin de temperatura est cerca de los 250F, debindose utilizar un
preservante para evitar la degradacin bacteriana.
Celulosa polianinica: es usada primordialmente como un controlador de
prdidas de fluido en agua fresca y salada, actuando tambin como un
viscosificante en estos sistemas; puede ser usado a temperaturas
superiores a los 300F y no est sujeto a degradacin bacteriana.
CMC carboximetil celulosa: es primariamente un fluido de control deprdida de fluido pero tambin produce viscosidad en agua fresca o
salada donde el contenido de sal no exceda los 50,000 mg/litro. El CMC
es una larga cadena molecular que puede ser polimerizada para producir
diferentes pesos moleculares y en efecto diferentes grados de viscosidad,
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generalmente provee gran control de prdida de fluido; su lmite de
temperatura son los 250F y no est sujeto a degradacin bacteriana.
hidroxietil celulosa: es utilizado como viscosificante para trabajos deWorkover, ltamente soluble en cidos y efectivo como aditivo para
fluidos de Workover, al no suspender barita necesita de otros tipos de
polmeros para proveer viscosidad y gel strenght. 250F de temperatura
lmite.
Hidroxipropil guar gum y xanthan: es una mezcla en la cual existe una
proporcin de cada compuesto, con temperatura lmite de 250F yrequiere el uso de preservantes para prevenir la degradacin bacteriana.
Polmeros selectivos: usados primordialmente en sistemas de lodos no
dispersos, donde el mayor objetivo es la floculacin y remocin de los
slidos perforados, por ser floculantes efectivos en perforaciones donde
se aplica agua clara, lodos no dispersos y lodos salinos de cualquier
concentracin.
5.6. CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATINICO
Cationes compensadores que se adsorben en la superficie de la capa
unitaria pueden ser cambiados Por otros cationes y se llaman los cationes
intercambiables de la arcilla. La cantidad de cationes por peso unitario de la
arcilla es medida y registrada como la CEC (capacidad de intercambio
Catinico). La CEC est expresada en miliequivalentes por 100 g de arcillaseca (meq/100 g). La CEC de la montmorillonita est comprendida dentro
del rango de 80 a 150 meq/100 g de arcilla seca. La CEC de las ilitas y
cloritas es de aproximadamente 10 a 40 meq/100 g, y la CEC de las
kaolinitas es de aproximadamente 3 a 10 meq/100 g de arcilla.
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La Prueba de Azul de Metileno (MBT) es un indicador de la CEC aparente de
una arcilla. Cuando se realiza esta prueba sobre un lodo, se mide la
capacidad total de intercambio de azul de metileno de todos los mineralesarcillosos presentes en el lodo.
Normalmente se registra la Capacidad de Azul de Metileno (MBC) como
cantidad equivalente de bentonita de Wyoming requerida para obtener esta
misma capacidad. Es importante notar que la prueba no indica directamente
la cantidad de bentonita presente. Sin embargo, la cantidad aproximada de
bentonita y slidos en el lodo puede ser calculada basndose en el hecho de
que los slidos de perforacin normales tienen una CEC equivalente a 1/9 de
la CEC de la bentonita, y si se calcula la cantidad de slidos de perforacin
presentes en el lodo a partir de un anlisis de retorta. Este clculo
aproximado de la cantidad de bentonita aadida y slidos de perforacin
puede ser ms preciso cuando se mide la MBC de los recortes de
perforacin. Este procedimiento puede ser til para evaluar la cantidad y la
calidad de las arcillas en el lodo.
Para hacerse una idea de los cationes que reemplazarn a otros cationes en
las posiciones de intercambio, se acepta generalmente la siguiente
secuencia, disponindola en orden de preferencia decreciente:
H+> Al3+> Ca2
+> Mg2+> K+> NH4
+>Na+> Li+
Es decir que cualquier catin a la izquierda reemplazar a cualquier catinubicado a su derecha. La concentracin relativa de cada catin tambin
afecta esta preferencia de intercambio catinico. Aunque resulte ms difcil
reemplazar el calcio que el sodio, si la concentracin inica de Na+ es
considerablemente ms alta que la concentracin de Ca2+, el sodio
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desplazar al calcio. El intercambio catinico puede resultar de un cambio
de temperatura visto que muchos compuestos tienen diferentes relaciones de
solubilidad a temperatura. La solubilidad de algunas de las sales clcicas
comunes, tales como CaSO4, disminuye a grandes temperaturas, mientrasque la solubilidad de la mayora de los compuestos de sodios aumenta. A
medida que la concentracin de Na+/Ca2+ aumenta, los cationes Ca2
+ de la
arcilla tienden a ser reemplazados por los cationes Na+ de la solucin.
5.6.1. Prueba de azul de metileno (MBT)
La capacidad al Azul de Metileno de un fluido de perforacin es una
indicacin de la cantidad de arcillas reactivas (bentonita o slidos de
perforacin) presentes, determinadas por el ensayo del Azul de Metileno
(MBT). La capacidad al Azul de Metileno da un estimado de la capacidad
total de intercambio catinico de los slidos en el fluido de perforacin. La
capacidad al Azul de Metileno y la capacidad de intercambio catinica no son
necesariamente equivalentes, siendo normalmente la capacidad al Azul de
Metileno algunas veces menor que la capacidad de intercambio catinico
real. La solucin de Azul de Metileno se agrega a la muestra del fluido de
perforacin, la cual ha sido acidificada y tratada con el perxido de
hidrgeno. El punto final de la titulacin se denota por la formacin de un
halo coloreado alrededor de una gota del lodo pretratado, colocada sobre
un papel de filtro.
5.6.1.1. Interpretacin
El valor obtenido nos mostrar la capacidad de intercambio catinico de los
materiales que construyen la porcin de slidos en el lodo, los cuales son
arcillas provenientes de la bentonita comercial que ha sido aadida para
obtener las propiedades del lodo deseadas y los slidos que han sido
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incorporados al sistema provenientes de los cortes perforados. En algunos
casos los slidos perforados pueden tener una alta capacidad de intercambio
incrementando la medida del MBT en el lodo. El MBT es reportado en libras
de bentonita por barriles de lodo y es tomado como la cantidad de bentonitaen el sistema, lo que no es cierto. Un mejor trmino sera bentonita
equivalente de los slidos.
El MBT debe ser corrido usando qumicos frescos. Al calcular la bentonita
comercial y obtener valores negativos o cero, quiere decir que tiene cero de
bentonita comercial y que todo el valor obtenido en el MBT procede de
slidos perforados.
El total de slidos de baja gravedad en lpb incluyen la bentonita comercial
aadida, los slidos perforados activos y no activos. La relacin de slidos
perforados (D) a bentonita comercial (B) ha sido establecida como un
importante indicador de la condicin general de un lodo de bajo contenido de
slidos no disperso (polmero). Para estos lodos la relacin (D/B) debe ser
menor de 3 a 1 para mantener estable las propiedades y evitar problemas.
En sistemas de bajo contenido de slidos est relacin no debe ser mayor de
2 a 1.
LGS (lpb) = D (lpb) + B (lpb)
8
%%
LGSMBTB
=
B (lpb) = (MBT - %LGS) x 1.138 Donde:
%LGS = porcentaje de slidos de baja gravedad
LGS = slidos de baja gravedad
MBT = valor obtenido en la prueba de MBT.
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%B = porcentaje de bentonita comercial
B = bentonita comercial
D = slidos perforados.
Las anteriores ecuaciones son utilizadas para el control del lodo con MBT.
Esta prueba debe ser corrida diariamente al lodo donde se espera encontrar
arcillas; en la lnea de succin y en la lnea de flujo, para determinar la
cantidad de agua necesaria a aadir; como los materiales necesarios para
tratar el lodo.
La bentonita y otras sustancias absorben el azul de metileno en un lodo, el
tratamiento con perxido de hidrgeno es para eliminar este efecto con
materiales orgnicos tales como CMC, poliacrilatos, lignosulfonatos y lignitos.
Los resultados de las ecuaciones anteriores, junto con los resultados de la
prueba de la retorta se usan para calcular las cantidades reales de slidos de
baja gravedad perforados y de bentonita, para esto hacemos uso de la
ecuacin de balance de masa.
5.7. RESISTIVIDAD
El lodo es el medio en el cual se movilizan las herramientas de registro. En el
caso especfico del registro de resistividad de formacin hecho con
electrodos de corriente, el lodo constituye el medio que cierra el circuito
elctrico entre la herramienta de registro y la formacin.
Elctricamente, los lodos se clasifican en conductivos y no conductivos. Los
fluidos no conductivos son: el aire, el gas, y los lodos de base aceite que se
caracterizan por ser aislantes perfectos, impidiendo la continuidad del flujo
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elctrico. Los lodos conductivos son a base de agua y, por lo general la
mayora de los registros se corren con estas condiciones.
La conduccin elctrica en lodos de base agua, en la torta y el filtrado,obedece al fenmeno de la conduccin electroltica. Como tal, la habilidad
para transportar la corriente elctrica depender entonces: del volumen de
agua contenido, que es aproximadamente la misma en todos los lodos, del
nmero de iones disociados en solucin y de la temperatura.
El nmero de iones disueltos es un factor que tiene amplias variaciones. As,
es posible tener un lodo preparado con agua dulce con muy pocos iones
disociados debido a la carencia de aditivos, los cuales aumentaran el
nmero de iones disociados; o en forma inversa, un lodo preparado con agua
salada que contenga grandes cantidades de Calcio, Magnesio e iones de
sodio presentes debido a la adiccin de compuestos a contaminantes
provenientes de otras formaciones. Se puede concluir por tanto, que los
lodos de base agua y sus derivados, tendrn un amplio espectro de
resistividades dependiendo generalmente del tipo de agua empleada para
preparar el lodo, de los aditivos usados y, en algunos casos, a la presencia
de otros iones por contaminacin de otras formaciones mientras se perfora.
5.7.1. Determinacin de Rm, Rmc y Rmf
Las muestras de revoque (torta) y filtrado son obtenidas a partir del lodo por
medio de las pruebas de filtrado (API o HPHT). Las resistividades del lodo
(Rm), filtrado (Rmf), torta (Rmc) en (ohmio-metro) y temperatura asociada,son normalmente medidas por la compaa de servicios en una celda de
resistividad diseada para el caso, a partir de una muestra representativa del
lodo en superficie obtenida de la lnea de retorno o de la piscina del lodo,
momentos antes de suspender la circulacin y sacar la sarta de perforacin
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para dar paso a las operaciones de registro. Los registros son normalmente
impresos en el encabezado de los perfiles.
En ausencia de las muestras del revoque y filtrado, es posible obtenervalores de correlacin para Rmf y Rmc a partir de Rm y mediante la
utilizacin de grficas.
Se prefieren medidas directas de muestras de filtrado y revoque (torta) del
lodo. Cuando esto no es posible, la resistividad del filtrado (Rmf), y la
resistividad del revoque (Rmc), pueden ser estimadas con las grficas a
partir de las siguientes formulas
07.1)(RmKmRmf =
65.2
)(69.0
=
Rmf
RmRmfRmc