PREPARACION DE PRUEBA PILOTO - MEDICION DE

DENSIDAD Y FILTRACION

PRACTICA # 1

JOHN ANGELLO VARGAS MARROQUÍN

OSCAR ARIEL CLAVIJO ROMERO

JOHN EDISSON ARANZALES DELGADO

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA

FACULTAD DE MINAS

MEDELLÍN

2013

INTRODUCCIÓN

La importancia de preparar adecuadamente un fluido de perforación ayuda a

controlar y asegurar el adecuado desempeño del lodo durante la operación, lo que

conlleva a no presentar retrasos durante la perforación.

Para determinar parámetros físicos como densidad y filtración, se realizan pruebas

en el laboratorio basada en los conceptos de balance de materiales y filtración; el

primero no es más que relaciones matemáticas que facilitan la solución de

inconvenientes en campo o laboratorio y la segunda es el proceso de separación

mecánica de sólidos suspendidos en una fase acuosa de un fluido de perforación,

que permite pasar la parte liquida del fluido, pero restringe el paso de partículas

solidas como arcillas y materiales densificantes.

MARCO TEÓRICO Y DEFINICIONES

La Densidad es la cantidad de masa por unidad de volumen de una sustancia, donde las unidades prácticas usadas en campo son lbm/gal. Esta puede variar si se cambia la presión o la temperatura. En caso de que la presión aumente, la

densidad del material también lo hace; por el contrario, en caso de que la temperatura aumente, la densidad baja.

El Filtrado se refiere al proceso de separar la fase liquida de la sólida en un fluido de perforación, haciéndolo pasar por un medio permeable. Si los poros en dicho medio son suficientemente pequeños, este permitirá el paso de la fase liquida, pero restringirá el paso de partículas sólidas. La fase líquida que podrá pasar por este medio, se llama filtrado y se controla depositando una torta o costra en la superficie de la formación, esto evitará que el fluido invada zonas permeables. La tendencia del fluido de perforación para penetrar zonas permeables, ocurre debido a un gradiente de presión que obliga al fluido a entrar en la formación.

La extensión de esta invasión depende de características tales como: la porosidad y la permeabilidad de la formación, el contenido de sólidos del fluido, la distribución del tamaño de partículas y la viscosidad de la fase liquida, entre otras. Las características del filtrado y de la torta de un lodo son fundamentales para el control y tratamiento de éste, estas características dependen de los tipos y cantidades de sólidos en el lodo y sus interacciones físicas y químicas que, a su vez, son afectadas por presión y temperatura. De ahí que se realicen pruebas tanto a presión y temperaturas estándar, como a presión y temperaturas altas, cada una con equipos y técnicas diferentes.

La Filtración Estática se da cuando un fluido no está circulando en las paredes del pozo y no hay movimiento de tubería. En este tipo de filtrado, la costra (torta) de filtrado continua incrementando su grosor mientras la tasa de filtrado disminuye. En la Filtración Dinámica el lodo está circulando y el flujo del fluido tiende a erosionar la costra. La torta de filtrado se construye hasta que la velocidad de deposición se iguala con la velocidad de erosión. En este punto, la velocidad de filtrado se vuelve constante.

Estudios muestran que lo que se presenta en el pozo es un ciclo de filtrado estático y dinámico, es decir, a medida que el fluido circula, este erosiona capas de la costra estática existente, disminuyendo su espesor, pero allí mismo, va logrando un equilibrio, formando una nueva costra dinámica reponiendo el espesor que va erosionando. Cuando se tiene filtrado estático, la velocidad de filtrado es proporcional a la raíz cuadrada del tiempo. Esto puede apreciarse en la siguiente ecuación y en la Fig.1.

Fig. 1—Volumen de Filtrado Estático vs Raíz cuadrada del Tiempo.Aquí se evidencia la relación de proporcionalidad mencionada.

EQUIPOS Y PROCESOS.

Los equipos usados en esta práctica de laboratorio son la Balanza Baroid para lodos de perforación y la Prensa Filtro estándar LPLT.

Balanza Baroid para lodos: Es un instrumento que se usa para determinar la densidad del lodo, Fig. 2. Esta permite hacer mediciones con una incertidumbre de 0.1 lbm/gal y está diseñada de tal modo que la taza de lodo, que está en un extremo del astil, se puede balancear con un contrapeso fijo en el otro extremo, este tiene un mecanismo de desplazamiento (jinete) que se mueve a lo largo de una escala graduada. El astil está provisto de un nivel de burbuja que permite un balance preciso.

Fig. 2—Balanza Baroid para Lodos (en color blanco). Se logra apreciar al lado izquierdo la taza del lodo y a lo largo de todo el Instrumento el astil de la balanza.

Se sigue el siguiente procedimiento para la medición experimental de la densidad de un fluido de perforación utilizando la Balanza Baroid para lodos [2]:

1. Asegurar que la base de la balanza de lodo esté nivelada sobre una superficie uniforme.

2. Llenar la taza hasta que reboce y taparla. Asegurarse de que parte del fluido sea expulsado a través del orificio en la tapa, para así poder liberar el aire o gas que haya quedado atrapado.

3. Limpiar el fluido que haya quedado en la parte exterior de la tasa.

4. Colocar el brazo sobre el soporte de la base y equilibrarlo moviendo el jinete en la escala graduada, hasta que la burbuja coincida con la línea central del nivel.

5. Registrar la densidad con una precisión de 0,1 lbm/gal o 0,5 lbm/ft3 (0,01 g/cm3).

Prensa Filtro LPLT: Se usa para determinar las propiedades de filtración o formación de paredes de un lodo, debe cumplir con las especificaciones indicadas en la práctica recomendada por el API.3 La prueba de filtrado API se realiza a la temperatura ambiente y a una presión de 100psi, y los resultados se registran como número de mililitros perdidos en 30 minutos.

La prensa filtro, consta principalmente de una celda cilíndrica que tiene un diámetro interno de 3 in. (76.2 mm) y una altura de por lo menos 2.5 pulg. (64 mm). Esta celda está hecha de materiales resistentes a soluciones altamente alcalinas, y está equipada para que desde la parte superior se le pueda inyectar y extraer un fluido a presión. Se le puede colocar una hoja de papel de filtro, en el fondo de la celda, sobre una malla metálica y un soporte adecuado. Por debajo del soporte hay un tubo de drenaje para descargar el filtrado en un cilindro graduado. El sellado se hace en empaques, y todo el conjunto esta sostenido por un soporte; el modelo del montaje se puede ver en la Fig. 3.

Fig. 3—Montaje de la Prensa Filtro LPLT. A la derecha se desglosa la taza del lodo, para especificar cada parte.

Se puede aplicar presión con cualquier fluido que no cause riesgos, bien sea gas o liquido. Las prensas están equipadas con reguladores de presión y ellas se pueden obtener con cilindros de presión portátiles, cartuchos de presión muy pequeños o medios para aplicar presión hidráulica.

Se sigue el siguiente procedimiento para la determinación de propiedades de filtración del fluido de perforación, mediante el empleo de la Prensa Filtro LPLT:

1. Asegurar de que cada parte de la celda esté limpia (en especial la malla) y seca, y que los empaques no estén deformados o gastados.

2. Situar los empaques, la malla metálica y el papel de filtro en el fondo de la celda y sobre el soporte que la acompaña, vierta la muestra de fluido en la celda.

3. Colocar un cilindro graduado seco por debajo del tubo de drenaje para que reciba el filtrado.

4. Cerrar la válvula y ajustar el regulador de manera tal que se aplique una presión de 100 ± 1 psi (690 ± 6,9 KPa) en 30 minutos. El período de prueba se inicia en el momento de la aplicación de la presión.

5. Al final, medir el volumen de filtrado y suspender la fuente de presión.

6. Desmontar la celda y desechar el fluido, con extremo cuidado para guardar el papel filtro con un mínimo de perturbación del revoque.

7. Lavar el revoque sobre el papel, con un chorro de agua suave o con aceite diesel en el caso de los fluidos de base aceite.

8. Medir el espesor del revoque y registrar.

Presentación de Datos y Resultados.

Para la elaboración y medición de densidad del fluido de perforación, se suministraron en el laboratorio los siguientes datos teóricos:

TABLA 1—DATOS TEÓRICOS SUMINISTRADOS EN EL LABORATORIOVolumen del lodo V m 1 Litro (0,2642 gal)Densidad del lodo ρm 8,6 lbm/gal

Densidad de la bentonita ρb 21,66 lbm/galDensidad del agua ρa 8,33 lbm/gal

Ahora lo que se desea obtener es la masa de bentonita y el volumen de agua, para así poder medir estas cantidades en el laboratorio y por consiguiente elaborar el lodo de perforación. Con base en el balance de materiales y la prueba piloto, se desarrollan los siguientes cálculos:

claramente el fluidocumple lo siguiente

mm=ma+mb (1 ) yV m=V a+V b(2)

con la formula ρ=mV,despejandom se tiene :m=ρ×V (3)

usando (3 )en (1)

V m ρm=V a ρa+V b ρb(4 )

usandolos datos de laboratorio y las formulas (2 ) y (4 ) se tieneel siguiente sistema

8.33V a+21.66V b=2,27212 V a=0,258849g al

V a+V b=0,2642 V b=5,35139×10−3gal

De estamanera:

V a=0,258849gal=0,9798=979,8cm3

V a=979,8cm3

A partir de la formula dedensidad setiene que lamasade bentonitacorresponde a :

mb=V bρb=0,115911lbmmb=52,58 g

Asi seobtiene que lamasade bentonita y el volumende aguaque senecesita parapreparar el fluidode perforacion enel laboratorio son :

V a=979,8cm3 ,de agua

mb=52,58 g ,debentonita

La siguiente tabla suministra los datos que indican la cantidad real que se utilizo de cada material (agua y bentonita) y la densidad experimental del fluido de perforación que se obtuvo al medirla con la balanza Baroid para lodos:

TABLA 2—DATOS EXPERIMENTALES OBTENÍDOS EN EL LABORATORIOMasa de bentonita mb 52,58 ± 0,01 gVolumen de agua V a 979 ± 5 cm3

Densidad del lodo ρm 8,6 ± 0,1 lbm/gal

Al comparar los dos valores de densidad (teórico y experimental) que se obtuvieron del fluido de perforación, se obtiene el siguiente porcentaje de error.

% error=|ρmteorico−ρmexperimental|

ρmteorico

% error=0%

Se logra un resultado exactamente igual al valor teórico y esto se debe por que se minimizaron las posibles causas de error, entre la cuales están: a) Instrumentos de medición sin calibración, b) Perdidas de material (agua y bentonita) en los diferentes recipientes utilizados, entre otros.

Para la prueba de filtración, realizada en la Prensa Filtro LPLT, se obtuvieron los siguientes datos:

TABLA 3—DATOS OBTENÍDOS DE LA PRUEBA DE FILTACIONTiempo t (min) √ t Volumen de agua filtrado (ml)

5 2,2361 10,210 3,1623 13,515 3,8730 18,420 4,4721 20,825 5,0000 23,430 5,4772 25,6

De acuerdo a la relación de proporcionalidad que existe entre el volumen de agua filtrado y la raíz cuadrada del tiempo, los datos obtenidos se pueden graficar, obteniendo la tendencia lineal que se observa en la Fig. 4.

Fig. 4—Gráfica de Volumen de Agua Filtrada vs Raíz Cuadrada del Tiempo. Se logra apreciar en la gráfica la tendencia lineal que siguen los puntos

y el intercepto que se tiene con uno de los ejes, lo que representa la pérdida de agua inicial (Vsp).

En el laboratorio se tomo un dato para el volumen de agua derramado por filtración al tiempo t = 0 igual a 2.3 ml. Pero en el momento de extrapolar la grafica obtenida con los datos de laboratorio al tiempo t = 0, se encuentra que la pérdida de agua inicial es de 1.4228 ml. Esto se evidencia de la ecuación de la línea de tendencia:

y=4,3914 x+1,4228

Lo anterior se da por que en el procedimiento del experimento, la presión que se genera en el sistema comienza desde cero hasta llegar a 100 psi y fue en ese momento (a los 100 psi) en el que se empezó a medir el tiempo; es decir existió un tiempo antes del tiempo t = 0 en el que cierta cantidad de agua se filtro.

2 3 4 5 605

1015202530

f(x) = 4.39141346022975 x + 1.42281533396886R² = 0.999115908595143

Volumen de agua filtrada Vs raíz cuadrada del tiempo

Raíz cuadrada del tiempo ((t)^1/2)

volu

me

n d

e a

gua

filt

rad

a (m

l)

Al desmontar la prensa filtro y desechar el fluido de perforación, teniendo cuidado de no alterar las características del revoque producido, se observó que este era muy gomoso, presentaba una buena consistencia y uniformidad alrededor de todo el filtro en el que estaba adherido.

Una de las características importantes que se tomó del revoque fue su espesor, reportando así un valor de 3 mm. Por otro lado, una de las características que se encontró en el laboratorio, fue que el revoque no tenía características de fluido, sino que era más bien parecido a gel consistente; esta propiedad se da gracias a las características tixotrópicas del fluido.

Conclusiones

El método de cálculo usado para obtener las cantidades necesarias de masa de bentonita y volumen de agua para elaborar un fluido de perforación, es muy preciso; es decir, todos los errores que se pueden presentar son por las características de las herramientas de medición y por la calidad de la bentonita que se está usando.

En el experimento de filtrado siempre se va a encontrar que el volumen de perdida inicial en laboratorio, va a ser mayor al volumen de perdida inicial teórico que se encuentra por extrapolación directa, en la grafica de volumen filtrado vs raíz cuadrada del tiempo (V vs √t).

Durante las operaciones de perforación, siempre se asume un espesor de revoque aproximado de 2/32 pulg. (1,5875 mm), lo que evidencia que el revoque obtenido en el laboratorio, equivale al doble del óptimo esperado. Esto se debe a que en campo, el lodo y los cortes generados erosionan constantemente dicho revoque, lo que no se puede modelar a nivel de laboratorio, con una prensa filtro estándar.

Las características de filtración de un fluido de perforación, no pueden ser adecuadamente definidas por medidas estáticas. En cambio si se conocen las propiedades dinámicas del fluido a ser usado, sería una importante consideración en la selección del mismo.

Actividades Complementarias

1. Consultar acerca de los tipos de fluidos base agua (lodos dispersos, no disperso) y base aceite (emulsión inversa, 100% aceite, sintético).

Fluidos no inhibidos: Son los fluidos base agua más sencillos, usualmente económicos. Se usan generalmente como lodos de inicio de pozo o "spud

muds", para secciones superiores de hueco y formaciones no reactivas. En estos fluidos se permite que los sólidos nativos dispersarse en el sistema hasta que las propiedades reológicas no puedan controlarse mediante el proceso de dilución. Se componen de agua local, arcillas nativas de la formación, bentonita comercial, polímeros, desfloculantes y/o dispersantes como lignitos, lignosulfonatos o fosfatos. Se utilizan en sistemas no dispersos, como huecos someros del pozo.2

Fluidos inhibidos: Son fluidos que buscan reducir en gran escala la hidratación de arcillas y lutitas reactivas de la formación, prevenir que los sólidos de la formación se desintegren fácilmente en partículas extremadamente pequeñas y entren al fluido de perforación y parcialmente estabilizan las porciones del pozo perforado a través de arcillas y shales fácilmente hidratables. Se forman por medio de una contaminación controlada del fluido con electrolitos y/o desfloculantes; por lo cual se vuelven altamente resistentes a otros contaminantes que hay durante la perforación. Hay muchos inhibidores, pero los más comunes son los polímeros, los cationes (Na+, Ca++, K+) y glicoles. Se utilizan en sistemas dispersos, como huecos profundos o con problemas de viscosidad.2

Fluidos poliméricos: Son fluidos que buscan aumentar la viscosidad, flocular las arcillas, reducir el filtrado y estabilizar las paredes de la formación. Los polímeros que se utilizan son de larga cadena y alto peso molecular, encapsulan los sólidos perforados para prevenir la dispersión o cubrirlos para la inhibición, proveen viscosidad y propiedades para el control de pérdidas de fluido. Se clasifican en lodos no dispersos de polímeros y lodos defloculados de polímeros de alta temperatura, y los más utilizados son el PHPA (poli-acrilato parcialmente hidrolizado), el CMC (carboxi-metil-celulosa) y el PAC (celulosa poli-aniónica).

Los tipos de fluidos base aceite son:

Fluidos base diesel: Como su nombre lo indica, el diesel es la base principal y se mezcla con una salmuera emulsionada y aún se utilizan en algunas partes del mundo a pesar del alto contenido de hidrocarburos aromáticos (componente cancerígeno, alrededor del 30% de contenido).

Emulsión inversa: Se compone de aceite, salmuera, un emulsificante, agentes de humectación al aceite, agentes para el control de filtración, viscosificantes y un agente densificador.

100% aceite: Son usualmente considerados ideales para la toma de núcleos o como fluidos de perforación del yacimiento.

Sintéticos: Están formulados como los fluidos de emulsión inversa, pero no contienen aromáticos. Se constituyen con fluidos sintéticos base ésteres, éteres, glicoles, glicerinas, glucósidos y poli alfa olefinas. Pretenden tanto las ventajas de los fluidos base aceite como el manejo y disposición de los fluidos base agua.

2. Que problemas conllevan un volumen alto de filtrado, que solución podría darse a un fluido el cual presenta un alto volumen de filtrado?

El control de la filtración, depende básicamente de la efectividad de las propiedades del revoque o costra de filtración. Cuando estas no son las requeridas, puede que la velocidad de creación del revoque sea muy baja, lo que produce demasiado filtrado del lodo hacia la formación productora y perdida excesiva de este; en otro caso, un espesor mayor al requerido conlleva a problemas de pega y obstrucción de tubería.

Uno de los grandes problemas del alto volumen de filtrado a través del medio es el revoque de filtrado que se genera (Cake) de alta permeabilidad, que permite generando un aumento en el paso del fluido desde el pozo hacia la formación, causando daños en esta y una reducción en la producción.

Existen principalmente tres tipos de aditivos para el control de filtración del lodo hacia la formación. Estos son polímeros solubles en el agua, que en algunas ocasiones sustituyen los desfloculantes cuando estos no pueden ser empleados:

a) Starch: Se usa principalmente en lodos con altas concentraciones de sal. Su degradación empieza alrededor de los 200°F, por este motivo no puede usarse para operaciones a altas temperaturas.

b) Sodium carboxymethylcellulose (CMC): Puede llegar a ser utilizado a temperaturas de hasta 300°F, pero no es muy efectivo para concentraciones de sal por encima de 50.000 ppm. Este aditivo tiende a deflocular las arcillas en bajas concentraciones, es por esto, que disminuye la fuerza gel, el punto de cadencia y la pérdida de agua del fluido de perforación.

c) Sodium polyacrylate: Este aditivo puede llegar a soportar temperaturas mucho más altas en comparación con el CMC, sin embargo es extremamente sensible al calcio. En bajas concentraciones actúa como floculante y su uso se restringe para lodos con bajas concentraciones de sólidos arcillosos y calcio.

A nivel comercial, existe una gran variedad de aditivos para el control de la filtración del lodo de perforación hacia la formación. En el Anexo 1 se encuentra una tabla de referencia, que compila algunos de dichos aditivos, con los diferentes nombres que presenta de acuerdo a la empresa que lo fabrica.

3. Al perforar se atraviesan estratos con diferentes características, que sucede con el diámetro del hueco y la formación de cake(o revoque) cuando se atraviesa una formación:

Impermeable Permeable Poco consolidada

Cuando se atraviesa una formación impermeable, ni cambia el diámetro del hueco ni se forma cake.

Cuando se atraviesa una formación permeable, se forma el cake dependiendo de la permeabilidad de la formación y generalmente se reduce el diámetro del hueco, aunque si el fluido es ideal, puede que la reducción del diámetro del hueco sea despreciable.

Cuando se atraviesa una formación poco consolidada, el diámetro del hueco puede agrandarse con la presión del fluido de perforación y no se forma cake.

4. Una prueba de filtrado da como resultado X cm3 en 30 min, que esperaría si el fluido es utilizado para perforar una formación A con Φ=0,2 y este mismo es utilizado en una formación B con Φ=0,35.

Debido a que la porosidad del primer pozo es menor, se espera que se filtre menos líquido que en el segundo pozo, pues esta formación – mas apretada - tendrá un menor espacio libre para acumular el fluido y por tanto la formacion de cake será menor en espesor.

5. Determinar la perdida por filtrado inicial y la perdida de agua API, para un lodo que presenta:

Para calcular el volumen filtrado inicial para (t=0) a partir de los siguientes datos podemos conocer el comportamiento del volumen del filtrado en el tiempo √ t

m= 17−12,3√20−√7,5

t(min) Volumen filtrado (cm3)0 X

7,5 12,320 17

m=2,711

Conociendo la pendiente puedo hallar el parámetro b de la siguiente ecuación a partir de (7.5, 12.3) o (20, 17)

V (t )=mx+b

Sabiendo que x=√ t

b=12,3−2,711∗(√7,5)

b=4,875

Ahora podemos conocer el comportamiento del volumen de filtrado en el tiempo (√ t)

V (t )=2,711∗x+4,875

Sabiendo que x=√ t

Ahora para t=0 tenemos que la perdida inicial de agua por filtrado es de :

V (0 )=4,875cm3

Ahora podemos conocer la perdida de agua API para t = 30 min

V (30 )=2,711∗√30+4,875

V (30 )=19,72cm3

6. La densidad de 800 bbl de lodo de 14 lbm/gal debe ser incrementada a 14,5 lbm/gal usando barita API (densificante cuya densidad es 35 lbm/gal). El volumen total del lodo es limitado a 800 bbl. Calcular cuanta barita se requiere y cuanto volumen de lodo debe descartarse.

Para resolver este procedimiento planteamos una ecuación basada en un balance de materia:

DATOS SUMINISTRADOSVolumen del lodo V l 800 bbl = 33600 gal

Densidad inicial del lod ρi 14 lbm/gal

Densidad final del lodo ρ f 14,5 lbm/galDensidad de la barita ρb 35 lbm/gal

V l ρf=V l ρi+V b ρb

V b=V l ρf−V l ρi

ρb

V b=480 gal=11,42bbl

Este volumen corresponde a la cantidad de barita que se debe agregar al lodo de 14 lbm/gal para conseguir aumentar su densidad a 14,5 lbm/gal y por tanto es la cantidad de lodo que se debe desechar, utilizando la densidad de la barita calculamos la masa de barita necesaria.

mb=V bρb=(480 gal )×(35 lbmgal )mb=16800 lbm

Entonces se necesitan 16800 lbm de barita para conseguir el aumento de la densidad de 800 bbl de lodo de 14 lbm/gal a 14,5 lbm/gal.

7. Realizar un informe de lectura breve y concisa donde se identifique el problema y la solución propuesta.

PROBLEMA

Los daños que se generan al momento de dar inicio a la perforación del pozo, estos daños generados en la formación debido a los fluidos de perforación.

SOLUCION

El uso de fluido de perforación base salmuera, es una de las posibles soluciones para evitar el daño en la formación, gracias a la compatibilidad de sus elementos con los fluidos y minerales del yacimiento mejorando la productividad de este. Además una gran ventaja de este tipo de fluido es la facilidad para su remoción, este fluido tiene la capacidad de inhibir las arcillas sensibles al agua y también de formar un cake en el pozo para prevenir el ingreso de sólidos y polímeros en la formación.

Bibliografía

1. Chesser, B.G. et al.: “Dynamic and Static Filtrate-Loss Techniques for Monitoring Filter-Cake Quality Improves Drilling-Fluid Performance” SPEDC (Sep. 1994) 189.

2. Zapata, Carlos. Betancourt, Fabián. Laboratorio de Fluidos de Perforación, Guía de Practicas. Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín. 2007.

3. RP-13B-1, Recommended Practice for Standard Procedure for Field Testing Water-Based Drilling Fluids, first edition, API, Dallas (June 1990) 12-15.

4. High-pressure, High-Temperature Filtration Test. Oilfield Glossary. 2010 Schlumberger Limited http://www.glossary.oilfield.slb.com/Display.cfm?Term=high-pressure,%2 0high temperature%20filtration%20test (Se accedió el 27 de Febrero de 2010)

5. Bourgoyne, Adam. Applied drilling engineering. Society of petroleum engineers. 1991. pág. 65.

6. Baker Hughes INTEQ. FLUID Facts Engineering Handbook. March 1998. pág. 2-11.