Principios Bsicos de Fluidos de Perforacin

Ing. Roberto Salas

RESEA HISTORICA* Heggen y Pollard (1914): Mezcla de agua con material arcilloso que permanece suspendido durante un tiempo considerable. * Lewis y Mc Murray (1916): Mezcla de agua con materiales arcillosos que permanece suspendido durante un tiempo considerable y que esta libre de arena, ripio o materiales similares. * Strond (1921): Establece el uso de aditivos y la utilizacin de Barita y Oxido de Hierro para densificar el lodo. * En 1929 aparece la Bentonita como agente suspensivo y gelificante * En 1931, Marsh mide la viscosidad del lodo mediante el Embudo Marsh. * En 1937 se utiliza el Filtroprensa para medir la perdida de filtrado del lodo

Funciones de los Fluidos de Perforacin Remocin de los cortes o ripios Control de las presiones de formacin. Limpiar, enfriar y lubricar el equipo de perforacin. Proteger la productividad de la formacin. Prevenir derrumbes de formacin. Suspender solidos cuando se detiene la circulacin. Transmitir energa hidrulica a travs de la mecha. Ayuda a soportar el peso de la sarta de perforacin. Ayuda en la evaluacin de formaciones (Registros). Sirve como transmisor de informacin sobre la perforacin

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Remocin de los cortes o ripiosDepende de:` Densidad del ripio ` Tamao de las partculas o derrumbes. ` Forma de la partcula. ` Densidad del fluido. ` Viscosidad del fluido. ` Velocidad del fluido en el espacio anular

Veloc. anular debe ser mayor que la Veloc. de cada del ripioSi no se cumple lo anterior, se tendrn problemas operacionales como puentes, rellenos, arrastre o pega de tubera.

Control de presiones de formacinSUBNORMAL NORMAL ANORMAL

0.433 Gradiente de presin del agua dulce

0.466 Gradiente de presin del agua salada

Ph = 0.052 * Dl * H ( Lpg ) Si Dlodo > Pformacin Si Dlodo < PformacinPerdida de Circulacin Arremetida

Limpiar, enfriar y lubricar el equipoLodoLimpieza de la mecha Limpieza del ensamblaje de fondo

Enfriamiento del equipo Lubricacin (aceites, surfactntes, detergentes )

Proteger la productividad de la formacinLodoInvasin del filtrado

DAO A LA FORMACION

Reduccin de la Permeabilidad

Baja o ninguna productividad

Prevenir derrumbes de formacin Prevenir derrumbes de formacinPresin Hidrosttica ayuda a mantener las paredes del pozoRuptura de la formacin (mecha, estabilizadores, etc) Erosin del hoyo por alta Velocidad Anular

Formaciones con buzamiento alto

DERRUMBES

Reacciones osmticas en la formacin

Formaciones de sales solubles

Formaciones con presiones anormales

Suspender los solidos perforados Suspender los solidos perforadosDurante los cambios de mecha, paradas de bombas de lodo, los ripios deben estar suspendidos. La tasa de asentamiento de los ripios depender de:

Densidad de las partculas. Densidad del lodo Viscosidad del lodo. Resistencia de gel del lodo

Transmitir energa hidrulica a travs de la mecha

Jets de la mecha

Fluido a alta velocidad Fuerza de impacto Remocin de cortes Mejor limpieza del hoyoDepende de un buen diseo hidrulico

Mayores tasas de penetracin

Ayuda a soportar el peso de la sarta de perforacinFactor de flotacinFf = (1-Dl / 65.4)

Disminuye el peso de la tubera

Evaluacin de formaciones: ( Registros )Hay que mantener ciertas propiedades del lodo como:

* Viscosidad * Filtrado

* Calidad de los fluidos * Revoque

Transmitir e informar sobre la perforacin

Durante la perforacin: . Conductividad . Contenido de gas . Anlisis de muestras Despus de la Perforacin: . Registros Elctricos

Composicin de los lodosFase liquidaAgua o Aceite

+

Fase solida

+

Aditivos Qumicos. . . . . . . . . . . . . Fosfatos Pirofosfatos Tetrafosfatos Taninos Corteza de Mangle Quebracho Lignitos Lignosulfonatos Bicarbonato deSodio Soda Caustica Humectantes Surfactantes Otros

Reactivos (Arcillas comerciales, solidos perforadoshidratables) Inertes (Barita, solidos perforados no reactivos, Arena, Calizas, Slice, Dolomita)

Reologa de los FluidosVelocidad de corte Tensin de corte

Deformacin de la MateriaTodas las propiedades de flujo dependen de la interrelacin de la Tensin de Corte y la Velocidad de Corte

Tipos de FluidosNewtonianos: Son aquellos donde la tensin de corte es directamente proporcional a la velocidad de corte Agua, Diesel, Glicerina

Tensin de Corte

Tc= m x Veloc.corte mdonde: m: Pendiente Tc: Tensin de CorteVelocidad de Corte

Viscosidad Constante

Tipos de FluidosNo-Newtonianos: Requieren cierta Tensin de Corte para adquirir movimiento(Punto Cedente verdadero)

Tensin de Corte

Visc= Tc / Vcdepende de :

. Tipo de Fluido . Veloc de CorteVelocidad de Corte

Viscosidad Variable

Modelos Reolgicos:Permiten explicar el comportamiento del lodoModelo Plstico de Bingham

Viscosmetro de dos velocidades

Viscosidad Plstica VP= F600 - F300

Punto Cedente PC= F300 -VP

300

600

Modelo de la Ley ExponencialA velocidades bajas de corte, las Tensiones de Corte obtenidas del modelo de Bingham superan las verdaderas Tensiones de Corte verificadas en el lodo Este modelo esta basado en las lecturas obtenidas a 300 y 600 rpm cuyos valores corresponden a la siguiente ecuacin: F = K x P n

K: Factor de consistencia del flujo laminar n: Indice de Comportamiento del flujo laminar

Factores que afectan a la reologaTemperatura Viscosidad

Presin: Poco afecta a las propiedades reolgicasTiempoGel Deposicin de solidos

Degradacin del Lodo

Propiedades bsicas de los fluidosViscosidad Plstica:Resistencia al flujo causada por friccin mecnica entre los slidos presentes en el fluidoViscosidad de la fase fluida

AFECTADA POR

Tamao y forma de las partcula

Concentracin de solidos

Densidad del lodo Peso por unidad de volumen, esta expresado en libras por galn, libras por pie cbico, etc Depende del fluido usado y del material que se le adicione

La densidad del lodo debe ser suficiente para contener el fluido de la formacin, pero no demasiado alto como para fracturar la formacin

Punto Cedente ( Yield Point ) Resistencia al flujo causada por las fuerzas de atraccin entre partculas slidas del lodo. Es consecuencia de las cargas elctricas sobre la superficie de las partculas dispersas en la fase fluida

Tipo de solidos y cargas elctricas

DEPENDE DE

Cantidad de Solidos

Concentracin inica de las sales contenidas en la fase fluida

Resistencia GelFuerza mnima o Tensin de Corte necesaria para producir un deslizamiento en un fluido despus que este ha estado en reposo por un perodo determinado de tiempoEl no controlSuccin en la sarta de perforacin Aumento de la velocidad de sedimentacin de las arenas y solidos

Problemas

Retencin de gas

Presiones elevadas para iniciar circulacin

Perdida de FiltradoRevoque Formacin LODO Filtrado

Depende de: . Propiedades de las rocas perforadas . Permeabilidad Tipos de filtracin: Esttica y Dinmica

Tipos de Fluidos de PerforacinPara un buen diseo del lodo de perforacin, se deben considerar los siguientes factores: . Seleccin adecuada del fluido. . Mantenimiento adecuado ( propiedades ) . Planificacin: Tipos de formacin, equipos de superficie, disponibilidad de aditivos, etc. Base Agua Base Aceite Aireados

Fluidos Base Agua Fluidos Base AguaLa fase continua es el agua y es el medio de suspensin de los solidosExisten varios tipos:

Lodo de Agua Fresca - no InhibidoFase acuosa con sal a bajas concentraciones y Arcilla Sdica. Son simples, baratos. aditivos viscosificantes, dispersantes, Soda Custica y Barita.

Diseados para perforar zonas arcillosas hasta 220 F. Muy sensibles a contaminaciones

Lodo de Agua Fresca -no InhibidoEste sistema esta conformado de la forma siguiente:

Agua Fresca Nativos. Agua - Bentonita Con Taninos Fosfatos

Lodos de Agua Fresca. Formaciones duras . Agua dulce o salada . Altas velocidades anulares para remocin de solidos

Lodos NativosSe forman al mezclar agua con Arcillas y Lutitas de las formaciones superficiales.Requieren de continua dilucin No requiere de control de filtrado Continua dilucin para prevenir floculacin Son utilizados para perforar zonas superficiales (hasta 1500) Densidades hasta de 10.0 Lpg Propiedades reolgicas no controladas

Se deben controlar los slidos para un efectivo mantenimiento

Lodos de Agua-BentonitaEs un lodo de inicio de la perforacin, constituido por agua y Bentonita recomendado para ser usado hasta 4000 Caractersticas: Buena capacidad de acarreo Viscosidad controlada y control de filtrado Buena limpieza del hoyo Bastante econmico.

Lodos con Taninos - Soda CusticaEs un lodo base agua con Soda Caustica y Taninos como adelgazantes, pude ser de alto como de bajo Ph. No se utilizan con frecuencia, son afectados por la temperatura

Lodos de FosfatosEs un lodo tratado con adelgazantes ( SAAP ), Utilizado en formaciones con poca sal o Anhidrita Mxima temperatura de uso: 180F Bajo costo y simple mantenimiento Muy susceptible a contaminaciones

Lodos de base agua InhibidosSu fase acuosa permite evitar la hidratacin y desintegracin de Arcillas y Lutitas hidratables mediante la adicin de Calcio Calcio (Cal, Yeso y CaCl2 ) Arcillas Sdicas Arcillas Clcicas Liberacin de agua Reduccin del tamao partcula

Mecanismo :Plaquetas de Arcilla

Reduccin viscosidad

Lodo con mayor cantidad de slidos y propiedades reolgicas mnimas

Lodos tratados con CalUtilizan la Cal ( Ca (OH)2 ) como fuente de Calcio soluble en el filtrado. Composicin: Soda Custica Dispersante Orgnico Cal Controlador de filtrado Arcillas comerciales* Pueden emplearse en pozos cuya temperatura no sea mayor de 250 F * Soportan contaminacin con sal hasta 60000 ppm

Lodos tratados con YesoUtilizan el Sulfato de Calcio como electrolto para la inhibicin de Arcillas y Lutitas hidratables. Caracteristicas: Ph entre 9.5 y 10.5 Concentracin de Calcio en el filtrado de 600 a 1200 ppm Tienden a flocularse por altas temperaturas Resistentes a la solidificacin por temperatura

Lodos tratados con LignosulfonatoSe adhieren sobre la partcula de Arcilla por atraccin de valencia, reduciendo la fuerza de atraccin entre las mismas y as reducir la viscosidad y la fuerza gel

Ventajas de su aplicacin: Control de propiedades reolgicas Estabilidad del hoyo Compatible con diversos aditivos Controlador de filtrado

Mejora las tasas de penetracin Menor dao a la formacin Resistentes a contaminacin qumica Fcil mantenimiento

Lodos en agua saladaSon aquellos que tienen una concentracin de sal por encima de 10.000 ppm hasta 315.000 ppmLa sal aumenta el poder de inhibir la hidratacin de Arcillas

Se deben utilizar para: Perforar zonas con agua salada y Domos de sal Evitar la hidratacin de Arcillas y Lutitas hidratables

Lodos de bajo coloideSon lodos de base agua con Polmeros como agentes viscosificantes y con bajo contenido de Bentonita o compuesto coloidalEl uso de este tipo de lodo puede prevenir problemas originados por: Presencia de formaciones solubles de Calcio Intercalaciones de sal Flujo de agua salada Contaminacin con CO2 Incremento de la tasa de penetracin Mejora la limpieza del hoyo Mejora la estabilidad del hoyo

Permite obtener grandes beneficios como son:

Lodos Base AceiteEmulsion: Dispersin de partculas finas de un liquido en otro liquido

Lodo InversoAgua ( fase dispersa) Aceite ( fase continua )EMULSIFICANTE

No se disuelve en el aceite pero permanece suspendida en forma de gotas pequeas

EMULSION ESTABLE

Lodos Base AceitePrevenir atascamiento diferencial Reduccin de torques en Bajas perdidas de fluido pozos direccionales Perforacin en ambientes corrosivos

Ventajas

Toma de ncleos

Perforacin de formaciones de baja presin

Controlar y prevenir la hidratacin de Arcillas y Lutitas

Son resistentes a altas temperaturas, no son afectados por formaciones solubles.

Lodo Base AceiteComponentes: Aceite ( Gas-oil) Agua Emulsificantes Controlador de Filtrado Arcillas Organoflicas Humectantes Espaciadores Cloruro de Calcio

Problemas de campo -Anlisis y Soluciones* Degradacin de componentes qumicos (aditivos). Degradacin bacteriana . Degradacin Trmica . Degradacin por Oxidacin ( Oxigeno )

* Contaminacin de fluidos de perforacin. . . . . . . Con Cemento Lodo cortado por gas Con agua salada o sal Con Calcio Gelatinizacin por alta temperatura Con Anhidrita y Yeso Con solidos

Contaminaciones ContaminacionesCemento: Producto de las Cementaciones de los revestidores. Es controlable y puede prevenirse con antelacin.Sintomas:. . . . . Incremento del ph Aumento tanto de Punto Cedente como del Gel Incremento de filtrado y presencia de Calcio en el Revoque grueso y esponjoso Alta viscosidad de embudo

Tratamiento: Aadir compuestos qumicos que reaccionen con el Ion Calcio y puedan removerlo como un precipitado insoluble. Pretratamiento: con 0.5 a 0.75 lbs/bl de Bicarbonato de Sodio.

Lodo cortado por gasSe produce cuando se perfora una zona de gas muy porosa a altas tasas de penetracin. El gas al expandirse produce cambios en la Densidad del lodo.Sntomas: . . . . Tratamiento: . Detener la circulacin y circular el pozo (columna estabilizada) . Aplicar tratamiento qumico para mantener reologa . Reanudar lentamente circulacin y continuar perforando Aumento del volumen del lodo en los tanques Presencia de burbujas en los tanques Olor a gas en lineas de flujo Disminucin de la densidad del fluido

Agua salada: (Perforacin de una arena de agua salada )Problemas que puede causar en el lodo Aumento del volumen de fluido en el sistema Disminucin de pH Incremento de las propiedades reolgicas Aumento de la perdida de filtrado Aumento de los Cloruros Disminucin de la Alcalinidad del lodo

Incrementar la densidad del lodo Aadir controlador de filtrado Aadir Soda Caustica para subir pH Agregar dispersante Diluir si es necesario

Tratamiento

CO2 y H2SForman soluciones cidas en el agua. Floculan las Arcillas y producen alta corrosin Incoloro Mas pesado que el aire Olor a huevo podrido Soluble en agua Irritante y altamente txico

H 2S

Sntomas:

Aumento del volumen de los tanques Disminucin de la densidad del lodo Disminucin de la eficiencia volumtrica de las bombas Fuerte olor a gas Degasificar Mantener baja resistencia de gel Mantener densidad del lodo en tanque activo

Tratamiento:

Anhidrita y YesoAnhidrita es Sulfato de Calcio y el Yeso es Sulfato de Calcio con agua Disminucin de pH Disminucin del Mf Disminucin del Pf Aumento del In Calcio en el filtrado Alta viscosidad Alta perdida de filtrado

Sntomas

Tratamiento:Agregar Soda Ash ( 0.093 Lbs/bl para precipitar 100 ppm de Calcio) CaSO4 + Na2CO3 ------------- CaCO3 + Na2SO4 Anhidrita Soda Ash

Carbonatos y BicarbonatosSe pueden originar: Al reaccionar el Dioxido de Carbono ( CO2 ) con los iones Oxidrilo (OH) Sobretratamiento del lodo con Carbonato y/o Bicarbonato de Sodio Al mezclar Arcillas Sdicas Al agregar Barita contaminada con Carbonatos

Como identificarlos? Carbonatos Bajo pH, Pf y Mf Alta perdida de filtrado Altos Geles No hay presencia de Calcio en el filtrado

BicarbonatosBajo Pf y alto Mf Alto Filtrado Altos geles No hay presencia de Calcio en el filtrado

BicarbonatosLos problemas asociados con Carbonatos y Bicarbonatos se pueden diagnosticar con un analisis de Alcalinidad del filtrado Pf y Mf Pf : Fenoltaleina (indicadores) Mf : Anaranjado de Metilo H2SO4 como solucion tituladoraPf: cc de H2SO4 (N/50), requeridos por cc de filtrado para llevar el pH del lodo a 8.3 Mf: cc de H2SO4 (N/50), requeridos por cc de filtrado para llevar el pH del lodo a 4.3

Lodo + Fenoltaleina --------- color rosado ( Iones OH- y CO3 ) al titular con H2SO4 y obtener el color original del filtrado

Bicarbonatosen este momento el pH del filtrado es 8.3.

Pf = cc de H2SO4 utilizadosLuego se agrega Anaranjado de Metilo a la misma muestra obteniendose un color naranja que indica la presencia de iones CO3 y HCO3, se titula con H2SO4 y cambia a color rosado salmn pH = 4.3 Mf : Cantidad de H2SO4 utilizados + cc de H2SO4 para obtener el Pf La cantidad de Acido Sulfrico utilizada para determinar el Pf, es la requerida para convertir los Carbonatos a Bicarbonatos; y la empleada para titular del Pf al Mf, es la necesaria para convertir los Bicarbonatos a Dioxido de Carbono y agua

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Clculos Bsicos para Fluidos de PerforacinVolumen de lodo en el sistema:Volumen tanques + volumen hoyo

RectangularP A L Vol (bls) = D

Cilindrico

P

L x A x P (pies) 5.615 pie3 / bl

Vol (bls) =

D x 3.1416 x P (pies) 4 x 5.615 pie3 / bl

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Volumen del hoyo:Se considera que el dimetro del hoyo es igual al dimetro de la mecha Vol. del hoyo = Dimetro ( pulg ) x Longitud ( pies ) x 0.0009722

Volumen en el revestidor :Vol revest.= Diametro ( pulg ) x Longitud ( pies ) x 0.000972 ( bls ) Diametro : Diametro interno del revestidor2

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Capacidad y desplazamiento de la tuberia de perforacionVol. total del hoyo = ( Vol. hoyo abierto ) + ( Vol. del revestidor ) ( sin tuberia )

Vol. total del hoyo = ( Vol. hoyo ) + ( Vol. revest ) ( con tuberia ) abierto

[

]

(Desp. tub. perforacion )

cont.....

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Volumen de desplazamiento de la tuberia:

D ext.

Dint.

Vol. Desplaz. = ( Dext ) - ( Dint. )

[

2

2

] x long ( pies ) x 0.000972

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Volumen Anular:Es el volumen que se encuentra entre la tubera de perforacin y las paredes del hoyo y/o revestidor

Vol anular= vol. hoyo - Capac - Dezpl. c /tub tub. tub

Va

Vol. anular= ( Dhoyo - Dtub ) x long x 0.000972

2

2

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Caudal de la Bomba:Se obtiene mediante el diametro de la camisa y la longitud de la embolada , convirtiendolo en barriles por embolada y multiplicandolo por las emboladas por minuto.

Q =

( D piston x long. piston x 0.003238 ) x (emboladas por minuto) Q : Bls/min o Galones/min

2

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Tiempo de Circulacin:Fondo arriba:Tfa = Volumen anular (bls) Caudal bomba (bls/min)

Tiempo de circulacin:Tc = Vol. hoyo - Desp. tubera Caudal de la bomba

Circulacin completa:Tcc = Volumen total lodo,(bls) Caudal bomba, (bls/min)

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Velocidad Anular:Se expresa en pies /min y se determina con el Caudal de la bomba y el volumen anular

V anular = (Bls/min)

1029 (D hoyo ) 2 - (D tub ) 2

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Velocidad Critica:Es la velocidad anular a la cual el modelo de flujo cambia de Laminar a Turbulento Vc (dentro tub.) = 1.08 VP + 1.08 VP + 12.34 d Pc Pl Pl d Vc (espacio anular) =Donde:2 2

1.08 VP + 1.08

VP 2 + 9.26 (dh-dt) 2Pc Pl Pl (dh - dt)

Vp : Viscosidad Plastica d : Diametro interno tuberia, pulgada Pc : Punto Cedente Pl : Densidad del lodo, lbs/gal

dh : Diametro hoyo, pulgadas dt : Diametro externo,pulgadas