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UAGRM FLUIDO DE PERFORACION

TEMA N1 Definicin, Funciones y Propiedades del Lodo.

Existe muy poca informacin del inicio en la utilizacin de los fluidos de perforacin [LODO] en el rea de la perforacin de pozos petroleros. Aparentemente en los primeros pozos perforados por el mtodo de rotacin solo se usaron el agua como fluido que al mezclarse con los slidos de formacin formaban el LODO. Evidentemente en sus primeros tiempos, en la perforacin de un pozo, al fluido no se le daba mucha importancia, siendo considerado de muy poco inters sus funciones y propiedades. Era de suponer que si un lodo hecho en el pozo era demasiado espeso o pesado se le echaba agua para adelgazarlo. Cualquier problema presentado en el lodo durante perforacin era solucionado agregando agua o en todo caso LODO de reserva. En el ao 1901 [hace 110 aos]recin aparece el artculo sobre los lodos nativos escrito por HAGGEN y POLLARD quienes investigaron sobre el uso de los LODOS en la perforacin de pozos; ellos sugirieron Que en pozos de gas debe llenarse el mismo cuando se saca la tubera a superficie para evitar un posible reventn. Estos seores definieron as a un LODO NATIVO. LODO NATIVO.-Es la mezcla de agua con suspensin por un tiempo considerable. arcilla la cual permanece en

Las arcillas ms usadas fueron las de naturaleza GUMBO despreciando a las arenas y arcillas duras y es ms, ellos recomendaron el uso de un 20% en peso de arcilla en agua, que se va a ver ms adelante en Laboratorio con el arenometro y el auxiliar que le toque o en todo caso con el Ingeniero Qumico especializado en Fluidos de perforacin Dennis Humberto Egez Vericochea. Despus de 15 aos de haber sacado un artculo sobre Lodos Nativos los seores HAGGEN y POLLARD Aparece LEWIS y Mc MURRAY adaptando este artculo, el Lodo Nativo para la perforacin a cable, la defini de la siguiente manera: LODO NATIVO PARA LA PERFORACIN A CABLE.-Es una mezcla de agua con algn material arcilloso que pueda permanecer en suspensin por tiempo considerable que tenga una Densidad de 1.05 a 1.15 *Deba ser delgado como el agua (Para qu? pregunta siempre el Ingeniero Respuesta: para evitar efectos negativos en algunas formaciones) Consideraban que un buen LODO deba ser capaz de:GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 1


-Sellar las arenas de formacin -Evitar su lavado -Contrarrestar las presiones de gas La Historia moderna de los LODOS comienza hace 90 aos atrs [1921] [Para qu? Pregunta el Ingeniero] Respuesta: comienza con el fin de controlar sus propiedades a travs del uso de aditivos especialmente preparados para aquellos propsitos [El propsito, sus funciones Especficas y Derivadas de un LODO se ver ms adelante en Detalle]. STROUD fue el encargado de encontrar un medio para aumentar la densidad para prevenir el descontrol de pozos de gas.

As surgi el xido de Hierro para preparar lechadas rpidas y bombeable de 15 a 18 . Ya un ao ms tarde el experimento con el aditivo llamado Barita o Baritina [Baritina se abrevia as: b, y Bentonita se abrevia as B] presentaba una serie de ventajas sobre el xido de Hierro como ser: -Alta G.E. (G.E.=Gravedad Especifica), (S.G.= Specific Gravity) -no es abrasiva -no es toxico Pero su uso creci recin a partir del 1929, o sea 10 aos despus del comienzo de la historia moderna del LODO cuando se solucion el problema de la viscosidad y fuerza GEL necesaria para suspender el material. La solucin al problema de Viscosidad y Gel dio lugar a una serie de investigaciones en la busca de aditivos aptos que especficamente cumplan con los objetivos; se desarrollaron primero compuestos de mezclas de aluminato de sodio y custica para luego descubrir en 1929 las arcillasGUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 2


BENTONITICAS, sobre todo aquellas que provenan del Estado de WYOMING con ventajas superiores en dar: - viscosidad -Fuerza GEL -Control de filtrado en la formacin

ESTADO DE WYMONG[U.S.A.] Si bien la Bentonita daba viscosidad y control de filtrado en lodos base agua fresca, la misma no tena buenos resultados en lodos salados, por lo que en 1936 fue patentado el producto conocido como ATAPULGUITA para dar viscosidad a las soluciones saladas. En 1937 con la finalidad de tener un mejor control en el filtrado se desarrollaron algunas coloides orgnicos tales como el almidn de maz el cual deba de sufrir un proceso de peptizacin [La peptizacin en trminos qumicos, es un proceso, en el que un precipitado cristalino al entrar en contacto con el disolvente fro, retorna a su primitiva forma coloidal] para su uso en los lodos, pero como son productos que fermentan, la investigacin fue ampliada a otros agentes que resistan ms o fermentenGUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 3


menos con la temperatura as se desarroll la CARBOXI METIL CELULOSA y algunos otros.

El trabajo de profundizar un pozo trajo aparejado el problema de alta viscosidad y gel en los LODOS, nace as la necesidad de desarrollar productos que puedan controlar o bajar esta viscosidad y gel alto; as surgieron los fosfatos no hidratados; ya en 1930 PARSONS menciona el uso de adelgazantes estabilizadores como as tambin discute el efecto del PH sobre la Viscosidad del LODO. LOOMIS y AMBROSE patentaron el uso del tanino natural para disminuir la viscosidad. El quebracho hasta no hace mucho era de amplio uso. Estudios realizados durante los aos de la Segunda Guerra Mundial permitieron el desarrollo de otros productos como LIGNO SULFONATOS DE CALCIO, LIGNINA, LIGNOSULFONATO de HIERRO y CROMO que fueron usados en los lodos como dispersante desde la dcada de los 50. Como se puede observar, de los problemas presentados perforacin de pozos por el mtodo a cable o rotativo durante la

Nace la bsqueda y el desarrollo de productos o aditivos que de alguna manera den soluciones a dichos problemas; este desarrollo es lo que seGUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 4


denomina DESARROLLO DE LA QUMICA DE LOS FLUIDOS DE PERFORACIN el cual se definir de la siguiente manera: Definicin de LODOS.-Fluido de Perforacin [LODO] es una mezcla heterognea de una fase continua [puede ser Agua o Aceite] con otra fase [Son los Aditivos que se agregan y que pueden estar disueltos o dispersos en el medio continuo con la finalidad de darle al LODO PROPIEDADES adecuadas para que pueda cumplir FUNCIONES especficas en la perforacin de pozos petroleros]. Son varias las funciones que debe cumplir un LODO para perforar un pozo, un buen comportamiento del lodo o si un lodo est o no cumpliendo las funciones es medido a travs de sus propiedades las cuales tiene que estar dentro de un rango de trabajo. Estas propiedades, fsicos qumicas que deben tener un LODO son medidas a travs de una serie de instrumentos y mtodos los cuales fueron diseados paralelamente con el desarrollo de los fluidos y problemas presentados en los mismos en la perforacin de los pozos [se refiere a los instrumentos de Laboratorio que llevaremos en esta materia (Tenerlo Presente) y son: -Balanza de Lodo -Embudo de Marsh -Viscosmetro Rotacional o Remetro -Filtro Prensa -La RETORTA -El Arenometro Los primeros instrumentos propiedades fueron la: diseados en los aos 1930 para medir

*Balanza de Lodo [para mediar la densidad]. *El Embudo de Marsh [Para medir la Viscosidad]. *El Filtro prensa [Para medir la Perdida de Filtrado]. El Embudo de Marsh.- es un instrumento que relaciona un volumen vertido por el embudo con el tiempo, mtodo que fue adoptado por las normas API (American Petroleum Institute), y nos da una idea de la viscosidad del fluido, pero no indica a que se debe los cambios en viscosidad que puede tener un fluido. Por la misma poca fue introducido el Viscosmetro Stormer que permite obtener datos de Tixotropa y de viscosidad aparente. En 1952 MEBROSE y LILIENSTHALL disearon un instrumento rotacional para medir la viscosidad plstica, el Punto de Cedencia y el Gel, llamado VISCOSIMETRO ROTACIONAL, para ser usado tanto a nivel de laboratorio como de campo.GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 5


JONES y BALSON, para analizar algunos problemas presentados en la perforacin de tramos arenosos muy permeables, disearon un aparato a travs del cual circulaba el lodo a presin y temperatura y que estaban en contacto con arenas, ellos observaban que los LODOS de bajo coloides y ms an todos floculados, formaban pelculas gruesas y mojaban mucho las paredes de la formacin; cosa que no se observaba con los lodos que contenan alto coloides. En trminos qumicos una suspensin coloidal o dispersin coloidal es un sistema fsico-qumico compuesto por dos fases: una continua, normalmente fluida, y otra dispersa en forma de partculas; por lo general slidas, de tamao mesoscpico (a medio camino entre los mundos macroscpico y microscpico). As, se trata de partculas que no son apreciables a simple vista, pero mucho ms grandes que cualquier molcula. Aunque el coloide por excelencia es aquel en el que la fase continua es un lquido y la fase dispersa se compone de partculas slidas, pueden encontrarse coloides cuyos componentes se encuentran en otros estados de agregacin. Basados en los datos de JONES y BALSON en 1937 [hace 74 aos] La Compaa BARPOID diseo un aparato para medir la perdida de fluido en condiciones estticas y presiones de 100psi. Ms tarde fue desarrollado el filtro prensa para medir fluido filtrado a altas presiones y temperaturas en condiciones estticas. Formulaciones de LODOS a los que se denomin Tipos de LODOS que se disearon en funcin de las presiones anormales, [una de las funciones Especificas del LODO es controlar presiones de formaciones] contaminantes a encontrar, formaciones a atravesar: siendo el de Silicato de Sodio el Primer Tipo de LODO diseado y de amplio uso hasta los aos 1949, para luego ser reemplazado por los LODOS de CAL que nacieron para solucionar la que era controlada con el agregado del ion calcio al LODO. Estos LODOS [LODO de CAL] sufren una modificacin cuando tienen que perforar zonas de altas temperaturas, disminuyendo su contenido de cal. Los LODOS BASE ACEITE inicialmente fueron diseados para mejorar la terminacin de pozos con reservorios muy sensibles al agua, y para perforar LUTITAS muy activas.GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 6


Los LODOS de EMULSION INVERSA fueron desarrollados en 1950[hace 61 aos], consisten en una fase continua base aceite y una fase discontinua base agua que se encuentra en forma de emulsin; fue necesario desarrollar algunos asfaltos y emulsificantes para estabilizarla. Una emulsin es una mezcla de dos lquidos inmiscibles de manera ms o menos homognea. A. Dos lquidos inmiscibles, fase I y fase II, no emulsificador; B. Emulsin de fase II disperso en la fase I; C. La emulsin inestable se separa progresivamente; D. Las posiciones surfactantes (borde prpura) en las interfaces entre la fase I y la fase II; estabilizan la emulsin.

LEWIS, en el ao 1953 describi el uso de los LODOS de YESO con la ventaja de ser estable a altas temperaturas y que tiene alto contenido de ion calcio soluble, adems de ser bajo PH. Los LODOS aireados aparecieron con el desarrollo de algunos SURFACTANTES con la finalidad de estabilizar la mezcla del agua con el aire que forma la espuma. Todo LODO al perforar, genera slidos de formacin que si no son eliminados, sus propiedades decaen, el manejo del LODO se hace ms difcil, como as tambin la velocidad de penetracin disminuye, es por eso que todo equipo de perforacin contaba inicialmente con una zaranda bastante rudimentaria para tratar de eliminar los slidos de mayor tamao, Con la finalidad de mejorar las condiciones del LODO como as tambin los tiempos de perforacin, se introdujeron en el mbito petrolero: Equipos de Control de Slidos [E.C.S.], como ser: -DESARENADORES [Desander] -DESARCILLADORES (Desilters) -LIMPIA LODOS [Mud Cleanner] -CENTRIFUGAS [centrifuged] Para eliminar los slidos ms finos como ser arena y arcillas; las zarandas fueron mejoradas en cuanto a su estructura y su velocidad deGUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 7


vibracin, en la actualidad se tienen zarandas que trabajan con mallas muy finas y de alta velocidad de vibracin lineal

De lo dicho anteriormente se puede concluir que durante el desarrollo histrico de los fluidos de perforacin, han ido apareciendo nuevos productos de mayor rendimiento, como tambin nuevos o mejorados procedimientos de anlisis, Equipos de control de Slidos de mejores condiciones de procesos, con la finalidad de Optimizar la Perforacin. Pero eso s, hay dos productos qumicos que es necesarios mencionarlos ya que aun en la actualidad son la base de la mayora de los LODOS, y estos son: *La Baritina [no olvidar que para los clculos baritina se abrevia, as: b].- Es bsicamente un Sulfato de Bario [SO4 Ba] y sus caractersticas principales a tomar en cuenta para el examen es:GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 8


-Su Gravedad Especifica es alta!! Sus intervalos son de 4.2 a 4.35 [se considera siempre 4.2 para los clculos] -Debido a su alta G.E. Se lo utiliza para darle densidad a los LODOS [Porque? Rpta: por su alta G.E.], es ms la palabra Bario deriva del Griego BAROS que significa Pesado. -Es un Material Inerte. -Es Insoluble en agua y Aceite. -Puede ser usado en un amplio rango de concentracin segn sea las condiciones exigidas. -Este material de color blanco a gris obscuro, tiene una produccin Mundial de 3 Millones de Tn, siendo los Estados Unidos el pas que produce el 25% del total. -En Bolivia se encuentra con minas del producto en las ciudades de Cochabamba y Oruro con una produccin que crece aos tras ao, su uso puede llegar a elevar sustancialmente el costo global del LODO. Normas por API en cuanto a: *molienda *materiales que pueden contaminar. En trminos genricos la molienda se refiere a la pulverizacin y a la dispersin del material slido, en nuestro caso este solido se refiere a la Baritina. *La Bentonita [no olvidar que para los clculos Bentonita se abrevia, as: B].-Es el material ms utilizado en la preparacin de los LODOS BASE AGUA, es una arcilla (Silico Aluminato) que sirve para: -Dar Viscosidad. -Control de Filtrado a los LODOS BASE AGUA fresca. -Su G.E. es aproximadamente 2.6 [y por ende es ms liviano que la Baritina]. Normas por API en las especificaciones en cuanto a:

*Rendimiento. *molienda. *materiales que pueden contaminar. El agregado de cualquier material al LODO se lo hace segn una dada concentracin adecuada para obtener una determinada propiedad en un valorGUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 9


de trabajo; por lo general las unidades de uso para el material son Libras de material por cada Barril de Liquido. PPG].

agregado ,

de

NOTA.- [JAMAS SE EXPRESA LA DENSIDAD EN LB/BBL SIEMPRE ES EN:

LPG,

Al agregar un material solido cuya G.E. es por lo general mayor que la del agua, esta adquiere una densidad mayor en funcin de la cantidad de material agregado. Por Ejemplo: Ejercicio: A 350cc. De Agua cuya densidad es 1 . Se le agrega 20 Lb de Bentonita [MB] Cul es la densidad de la solucin as formada [Ds]? Para ello podemos usar la siguiente expresin: ( (*

*+

+) )

Dnde: Ds = Densidad de la Solucin MB = Masa de Bentonita Agregada GSB = 2.6 [Gravedad Especifica de la Bentonita] Resolucin del Ejercicio: ( ( [*

[

]

*+

+) )

]

Antes de seguir con el Tema es necesario tener una descripcin global de un Equipo de Perforacin [PET200] que utiliza el Mtodo Rotativo para perforar con el cual el LODO est relacionado y puede cumplir sus funciones para el cual fue diseado. Componentes Principales de un Equipo de Perforacin Un equipo de perforacin en lneas generales consta de las siguientes partes: 1.-Sistema de Energa 2.-Sistema de Soporte, Izado, Rotacin 3.-Sistema de CirculacinGUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 10


3) El Sistema de Circulacin.- est compuesto por: 3.1) Bomba de LODO 3.2) Cajones de LODO Agitacin Equipos de Control de Slidos [E. C.S.] 3.1.-Bomba de LODO.- Es el elemento principal del Sistema de Circulacin *La Bomba de LODO es el nexo entre el equipo de perforacin y el LODO. Las bombas ms utilizadasGUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS

son las bombas de pistn DUPLEXPgina 11


Y las TRIPLEX:

PS: No seguir la lgica de Dplex doble Accin, Triplex triple accin, Recordar que Triplex es simplemente:simple accin. Los cajones de LODO son recipientes contenedores de LODO que pueden tener cualquier forma como ser: *rectangulares con fondo plano *rectangulares con fondo inclinado *cilndricos con fondo plano *cilndricos con fondo esfrico *etc. Tambin se los conoce como: * Tanques de LODO *Presas *Bandejas *etc. Por lo general son diseados en funcin de la capacidad del Equipo. Las dimensiones de c/u de ellos estn dadas en funcin de la cantidad de tanques que se debe tener en superficie. As, se tienen tanques de zarandas que son los que colectan los slidos ms gruesos. Son de dimensin pequea y de fcil evacuacin; se tienen tambin los tanques donde van montados el resto de los Equipos de Control de Slidos [E.C.S.] y desgasificador, los cuales pueden estar conectado por la parteGUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 12


superior constituyendo los tanques de sedimentacin o bien conectados por la parte superior constituyendo los tanques de sedimentacin o bien conectados por la parte inferior de ellos y el tanque de succin de la bomba de lodo. Los cajones de LODO cuentan con: *Bombas de Agitacin-Preparacin *Pistola de Agitacin *Agitadores Elctricos *Ventanas de evacuacin El nexo del LODO con el Equipo de Perforacin es el siguiente: La Bomba de LODO succiona el fluido de los cajones y enva al LODO a presin a travs de conexiones de tuberas a la manguera de circulacin para llegar a la cabeza de inyeccin la cual est unida al vstago a travs de un acople especial que le permite introducir el LODO dentro del vstago que est girando; el LODO continua circulando internamente descendiendo a travs de la Sarta de Perforacin hasta salir por el espacio anular [EA] por las boquillas del Trepano, para luego ascender hasta la Salida de LODO [FLOW LINE] y retornar nuevamente a los cajones donde se limpia y nuevamente es tomado por la Bomba En Terminos genericos El LODO cumple un Ciclo de Circulacin

Es necesario notar que el LODO que sale a presin de las Bombas va perdiendo energa en todo su trayecto, bomba-flow line donde sale prcticamente sin presin es decir hay una cada de presin [MEC-245] en todo el recorrido del LODO.GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 13


La energa generada por los motores llega a un elemento llamado MALACATE que contiene unas serie de engranajes y ejes con la finalidad de distribuir la energa. Este elemento cuenta con una pieza principal llamado freno. El Equipo de Perforacin adems cuenta con una serie de servicios auxiliares y otros accesorios que son necesarios para el mejor desarrollo de sus operaciones como ser: *Tanques de Agua *Tanques de Combustible [con sus respectivas Bombas] *Bombas de preparacin [Bombas de Agitacin de LODO] *Galpones de Depsitos de Materiales de LODO y Cemento *Equipo de Control de Solido [E.C.S.] *Talleres Mecnicos *Talleres de Soldadura *Talleres Elctricos *Etc. En lo que respecta al Equipo de Control de Slidos, diremos simplemente que en forma global cuenta de los siguientes equipos: *Zarandas [SIEVE] *Desarenadores [DESANDERS] *Desarcilladores [DESILTERS] *Limpia LODOS [MUD CLEANNER] *Centrifugas [CENTRIFUGEDS] La utilizacin de algunos o el total de los equipos depender de las condiciones LODO/Pozo, como veremos ms adelante, por lo pronto es muy importante saber que estos equipos tienen la funcin principal de eliminar la mayor cantidad de Slidos de formacin generados por el trepano para que el LODO entre de nuevo al pozo lo ms limpio posible. La Tcnica del manejo de los LODOS, implica conocimiento amplio de la fsico qumica de los fluidos como tambin tener conocimientos de las tcnicas de perforacin y de las formaciones a atravesar. Todo problema ocurrido en el LODO tiene su implicancia directa en la estabilidad del agujero y sobre la normalidad de las operaciones. Un buen LODO no perforacin, sino perforado. solo es aquel que minimiza los problemas de la tambin debe economizar el costo final del pozo

No necesariamente un perforacin, esto LODO/Perforacin. Funciones del LODOGUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS

menor costo del LODO da un menor costo de implica un anlisis de optimizacin del

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Cuando se defini LODOS se estableci que era diseado para cumplir ciertas funciones, dichas funciones la vamos a clasificar en: a) Funciones Bsicas [Especificas] b) Funciones Derivadas Funciones Bsicas [Especificas].- Son aquellas que necesariamente se tienen que cumplir para que el fluido sea considerado un LODO y son las siguientes: *Controlar la Corrosin *Evacuar Recortes de Perforacin *Enfriar y Lubricar y Alivianar la Columna de Perforacin *Obturar las Formaciones Permeables [Controlar las presiones formacin] PS: Cuando disminuye la densidad del LODO el Gas tiende a aumentar Presin haciendo que salgan los fluidos de forma abundante, lo que llama "Demonios!! Se Nos viene el Pozo", haciendo alusin al peligro, lo tanto de cierra el Pozo, se coloca a funcionar el Golpeador, y sistema de Preventor de Bomba, por cabeceo o amenaza de reventn. Al perforar un determinado pozo se generan: *recortes de formacin en tamao *Recortes de formacin en cantidad Segn sea: * El trepano utilizado * La velocidad de penetracin

de

la se por el

As, por Ejemplo: en un hueco de OD = 17 [Open Hole] y 100m de profundidad perforados en 12 horas, genera 97.5 bbl o bien 40.3 Tn de recortes; que si no se los saca a superficie y se los elimina, difcilmente se podra seguir perforando. La remocin del recorte debe ser continua para dejar al trepano el espacio libre para que cumpla su funcin de cavar o hacer hueco nuevo a cada instante. El LODO junto con el caudal de bombeo debe ser capaz de acarrear estos recortes a superficie dejando limpio el fondo del pozo.

La capacidad de limpieza del pozo es funcin de: *El caudal de Bombeo * La de la densidad del LODO * Su ViscosidadGUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 15


Toda formacin tiene una determinada presin en sus poros denominada Presin de Poro o Presin de formacin, esta presin puede ser normal, aquella cuyo gradiente es de 0.433 a 0.465 [ ]]; todo valor por encima de este [agua pura-agua salada de 1.07 rango se la denomina Presin

Anormal, y todo valor por debajo, corresponde a Presiones Sub-normales. Si se conoce la presin y la profundidad de una formacin, se puede determinar la densidad mnima que debe tener el lodo para controlar esa presin segn la siguiente ecuacin: Frmula Genrica:

Dnde:

Formulas que se usan con sus respectivos factores de conversin:

* Ejemplo: Datos

+

Solucin:

GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS

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En realidad la densidad mnima de trabajo es superior a este valor y debera tener un valor que de una presin de 300 psi como mnimo por encima del valor estimado de la presin de formacin. Esto equivale a un lodo de 1.32 de densidad. Esta presin de 300 psi de exceso es un factor de seguridad que puede cubrir la disminucin de presin causado cuando se est sacando herramienta del pozo; ya que casi siempre se causa un efecto de pistn Para densificar un LODO, la Industria Petrolera cuenta en la actualidad con una serie de productos qumicos y entre los ms usados son: *La Baritina *Carbonato de Calcio *xidos de Hierro *Cloruros de Sodio *Cloruros de Potasio *Cloruros de Calcio C/U con sus ventajas y desventajas. La finalidad de perforar un pozo petrolero es para producir hidrocarburos, esta produccin depender de muchos factores de los cuales uno de esos factores se refiere al dao a la productividad causada por el LODO, es decir la disminucin de la produccin que poda tener el pozo. El dao causado por el LODO puede ser por la excesiva cantidad de slidos, por una sobre presin o por la incompatibilidad qumica del LODO con la formacin productora como ser: -Inadecuada alcalinidad -Contenido de emulsionantes que puedan causar la formacin emulsiones estable en los poros de formacin productora.

de

En la prctica es muy comn perforar los pozos por etapas [5 Etapas] o tramos los cuales luego de terminados son aislados con una caera cementada, esto es debido a: Condiciones de formaciones Presiones a encontrar Asegurar la estabilidad del pozo en general

Las formaciones que se atraviesan varan sus caractersticas fsicas, qumicas segn sea la profundidad en que se encuentran como tambin en sus posicin terrestre, es decir no es lo mismo una misma formacin que se encuentre en una zona llana que en una zona montaosa o que se laGUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 17


encuentre a distintas profundidades, la estabilidad de la formacin depender de la condicin con que se la atraviesa como tambin de la reaccin LODO-Formacin. La estabilidad de una formacin depende en forma directa de la qumica de los LODOS, durante la perforacin de un pozo se encuentran una serie de formaciones con composicin Litolgica variada siendo algunas de ellas ms sensitivas al agua que otras, dando lugar a la hidratacin de las mismas con el resultado del aumento de volumen, y su posible derrumbe, El caso tpico de perforar formaciones llamadas GUMBOS, estas al entrar en contacto con el agua del fluido de perforacin toma gran cantidad de la misma llegando a aumentar varias veces su volumen, provocando lo que se conoce como cierre de agujero que causa los conocidos arrastres y resistencias de la herramienta en movimiento. Un LODO que est perforando en un pozo, continuamente trae informacin del Fondo del pozo que el ingeniero de LODOS est capacitado para interpretar esta informacin y poder conocer que es lo que est sucediendo en el fondo del pozo [Una frase que el Ingeniero Egez dice: El LODO me habla]. El Ingeniero interpreta a cada momento el LODO y as mismo sabe que es lo que est pasando en el fondo del pozo para as, tomar decisiones u acciones necesarias, este lenguaje del LODO es traducible a travs de los anlisis que se realiza. Primer ejemplo de Interpretacin: Si el LODO entra al pozo con una densidad de 1.16 superficie con densidad de 1.10 [9.16LPG], nos [9.66LPG] y retorna a

est indicando que algn

fluido de formacin, hidrocarburo o agua, se est incorporando al LODO. Segundo ejemplo de Interpretacin: Si el LODO est ingresando al pozo con 300 ppm de ion cloruro y retorna con 1500 ppm de cloruros es una indicacin que se est atravesando un nivel que aporta iones cloruros. Ejemplos como estos abundan, y el Ingeniero de LODO debe saber interpretar y dar las soluciones adecuadas. Toda formacin atravesada tiene cierta permeabilidad unas ms que otra; las arenas por lo general son bastante permeables y las arcillas no. La permeabilidad es la capacidad de un material para que un fluido lo atraviese sin alterar su estructura interna. Esta permeabilidad lo que hace posible el paso del fluido a travs de las rocas; debido a las exigencias de perforacin de tener una presinGUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 18


hidrosttica mayor que la presin de formacin, parte de lquido del LODO llamado filtrado penetra a horizontes de las formaciones, quedando sobre la pared de formacin una costra de slidos conocido con el nombre de pelcula o revoque cuyo espesor queda definido por las caractersticas del LODO y las normas de perforacin; esta pelcula as formada est muy ligada a la estabilidad del pozo que por general debe ser delgada, impermeable, lubricada y no quebradiza. Todos los aditivos agregados al LODO generalmente so polmeros los cuales aparte de cumplir sus funciones para lo cual fueron agregados ellos dan al LODO caractersticas de lubricidad que ayuda a minimizar las fricciones entre la herramienta de perforacin y las formaciones. Todo arreglo de perforacin al girar o desplazarse genera fricciones con las formaciones que se conoce con el nombre de torque que es la resistencia al giro y la que se manifiesta durante el desplazamiento de la herramienta denominadas arrastre cuando se saca y resistencia cuando se mete la herramienta. Cuando estas fricciones son muy crticas, se agrega al LODO algn lubricante especfico. A medida que se perfora un pozo y se avanza hacia el centro de la tierra la temperatura aumenta Gradiente de temperatura [Significa 1F por cada 100 pie] el LODO entra desde la superficie, lo hace, se puede decir: a) A Temperaturas bajas y que al circular a grandes profundidades va extrayendo calor a las formaciones enfriando el pozo; el LODO y pozo constituyen como si fuesen un cambiador de calor. El comportamiento de un fluido de perforacin [Fluido no Newtoniano] tanto en estado dinmico como en estado de reposo es distinto al comportamiento de un fluido NEWTONIANO, el LODO tiene una propiedad muy importante que es la de mantener en suspensin a los slidos que lo componen con la finalidad de que los mismos no se depositen y obstruya la perforacin del pozo se llama TIXOTROPIA a la capacidad que tiene el LODO de generar energa en estado de reposo. El LODO debe estar diseado en el sentido de minimizar el efecto de corrosin de la herramienta de perforacin. Se llama corrosin a la degradacin continua del metal el cual trata de alcanzar el estado inicial del cual parti. Es un proceso qumico de xido reduccin que ocurre sobre la superficie metlica por accin del fluido. Existen algunos productos qumicos que se agregan con la finalidad de proteger al metal de los efectos corrosivos del LODO.GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 19


Por ltimo podemos decir que actualmente y debido a las tendencias cada vez ms fuerte en la proteccin del m.a. [m.a. = medio ambiente] los LODOS se estn diseando de tal manera que en su composicin intervengan productos que no causen o sea mnimo el dao causado al m.a., se trata de los productos Biodegradables [Productos que por cierto son muy caros]. Hasta aqu hemos dado un panorama general de las funciones que debe cumplir un LODO, cuando desarrollemos los problemas de pozos encontraremos algunas otras y las analizaremos en ese momento. Propiedad de los LODOS de perforacin Anteriormente hemos hablado de las funciones que un LODO debe cumplir para llevar a cabo la perforacin de un pozo petrolero, pero: *Cmo sabemos que est cumpliendo bien esas funciones? Por ejemplo: *Estamos seguro que la presin de formacin de la zona atravesada est siendo controlada por la columna hidrosttica del LODO? La alcalinidad que tiene el LODO no est causando dispersin de las arcillas? El Instituto Americano del Petrleo API, ha establecido normas para medir las propiedades del LODO, para ello se han diseados unas series de instrumentos y mtodos con las cuales podemos apreciar el comportamiento del LODO. A continuacin analizaremos cada una de ellas, el mtodo segn normas API que encontrara en apndice Determinacin de la Densidad Se define a la densidad como la unidad de masa por unidad de volumen. En s, es la relacin de la masa al volumen, es decir:

Dnde:

En trminos genricos la ecuacin anterior indica que el peso que debe tener la unidad de volumen de cualquier solucinGUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 20


FIGURA 1 [BALANZA DE LODO] La determinacin de la densidad se basa en el principio general de toda balanza como se observa en la Figura1 la cual muestra la balanza de LODO muy utilizada para medir densidades que se compone de: -Una copa receptora, que tiene una tapa con un orificio central para evacuar el LODO remanente. -Un sistema de nivel de burbuja. -Un brazo escala graduado. -Un contrapeso deslizable -Un receptculo de perdigones para calibracin de la balanza -Un soporte o pedestal de equilibrio de balanza. El brazo graduado puede llevar distintas escalas de lecturas segn sean las unidades de trabajo, como as tambin un gradiente de presin, es decir la presin que ejerce el fluido por unidad de longitud. PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR LA DENSIDAD DEL LODO La manera de operar es la siguiente: Se llena la copa de fluido teniendo mucho cuidado de no entrampar aire, se coloca la tapa el fluido remanente sale por el orificio central de la tapa, se lava y se seca la balanza y luego se coloca sobre el pedestal de equilibrio; con el contrapeso deslizable se equilibra la balanza hasta que se observe la burbuja en el centro del visor, en ese momento se procede la lectura de la densidad segn la escala escogida. La calibracin de la balanza.-Se la efecta con agua destilada a 20C cuyo valor debe ser 1 [8.33LPG]. En apndices se tienen equivalencias de densidades.GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 21


Determinacin de Viscosidades Se determina en un instrumento conocido como Embudo de Marsh, el cual se muestra en la Figura2 [Marsh en ingls es Pantano].

FIGURA 2 [EMBUDO DE MARSH] Como se puede observar el equipo consta de: -Embudo propiamente dicho -Un vaso llamado litrera o galonera. -Cronometro El embudo descripto consta en su parte superior de una malla de abertura con finalidad de retener toda partcula mayor que pueda taponar el orificio inferior del embudo. PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR LA VISCOSIDAD DE MARSH El modo de operar consiste en lo siguiente: Se llena el embudo a travs de la malla hasta el tope de la malla manteniendo cerrado el orificio inferior del embudo, una vez lleno se mide el tiempo que tarda en llenar la litrera hasta un cuarto de galn, expresndose la viscosidad como los segundos que tarda en fluir El agua pura @ 20C tiene una viscosidad de embudo de [26-27] . Siempre

que se realiza una determinacin se debe especificar la temperatura de la prueba.


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Viscosidad Plstica-Punto Cedente y Geles El instrumento utilizado es el Viscosmetro Rotacional o de FANN que se describe en la Figura3:

FIGURA 3 [VISCOSIMETRO ROTACIONAL] Es tambin llamado Remetro. El instrumento se compone de la siguiente parte: *Un cilindro giratorio *Un cilindro estacionario [Bob] *Un resorte de restitucin *Un dial de lectura directa *Un sistema de engranajes y perillas para cambio de velocidades Existen en el mercado instrumento manuales, elctricos de 2, 6 o mltiples velocidades.GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 23


PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR L600 y L300 -Se coloca el sistema del cilindro giratorio estacionario dentro del vaso conteniendo el fluido a analizar [El LODO]. -Se coloca la palanca en posicin de velocidad variable y con la manivela se hace girar el cilindro a fin de homogeneizar el fluido. -Luego se coloca la palanca en la posicin de 600rpm se hace girar el cilindro; luego de estabilizado el dial, se efecta la lectura y se anota con el resultado a 600 rpm. -Posteriormente se coloca la palanca en posicin de 300rpm se hace girar el cilindro, luego de estabilizado el dial, se efecta la lectura y se anota con el resultado a 300 rpm. El valor de la Viscosidad Plstica es el resultado de la diferencia de la lectura L600 y L300:

El valor del Punto Cedente es: [ ]

Con este instrumento tambin se determina los geles. PROCEDIMIENTO PARA MEDIR LOS GELES El procedimiento es el siguiente: -Se coloca el sistema del cilindro giratorio estacionario dentro del vaso conteniendo el fluido a analizar [El LODO]. -Se coloca la palanca en posicin de velocidad variable y con la manivela se hace girar el cilindro a fin de homogeneizar el fluido. Estando el LODO homogeneizado y luego de 10 seg que el LODO est quieto con la perilla se procede a darle la velocidad de 3RPM [3RPM es equivalente a de giro en 5seg] Decimos:

En forma manual, en el dial se observar un incremento de lectura hasta que la aguja llega a un mximo valor e inmediatamente se estabiliza en un valor inferior, tomndose como valor de gel a 10 seg o gel inicial el mximo de la defeccin de la aguja. Posteriormente se deja al LODO en reposo durante 10 min y se procede en forma anterior a determinar la lectura de gel a 10 min o gel final.GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 24


Siempre es conveniente tener datos de geles a 30, 60, 120 min para tener una idea de la proyeccin del gel con el tiempo tratando de simular el tiempo de reposo de una maniobra de la herramienta. El gel nos da una idea de la energa que es necesaria para iniciar el movimiento del fluido. Determinacin del Filtrado

[FILTRO PRENSA] La cantidad de filtrado que pasa del LODO hacia la formacin es muy importante en cuanto a la cantidad como a la calidad del filtrado. La determinacin del filtrado se la efecta en un instrumento denominado Filtro Prensa, el cual determina el volumen de liquido que pasa a travs de un filtro en un tiempo determinado cuando est sometido el sistema a una cierta presin de trabajo. Diseado por el API par tales efectos. El Procedimiento es el siguiente: En la celda contenedora del fluido a probar: [a] la cual puede ser armada o no, lleva una malla de 60 mesh [mesh es la cantidad de agujero por pulgada lineal, Por tanto: 60 mesh significa que por cada pulgada lineal hay 60 agujeros] y un papel filtro, la que lleva una tapa que tiene un dispositivo de entrada de presin [b]Por la parte inferior lleva un orificio de salida de filtrado que es recibido en una probeta graduada, todo el sistema est montado en sobre un soporte [c]todo el equipo se completa con un cronometro.GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 25


API[American Petroleum Institute] El filtrado API o de baja se realiza de la siguiente forma: Se coloca el fluido muestra en la celda a la cual se aplica una presin de 100psi y se contabiliza el filtrado que fluye durante 30 min. Esta prueba de filtrado se la pueda efectuar simulando las condiciones de fondo de pozo, es decir a presiones y temperatura que se encuentra en el pozo. HPHT [High Presin High Temperature] En este caso la celda tiene que soportar una diferencial de presin de 500psi y es introducido dentro de una camisa calefactora de temperatura controlada. Actualmente se puede hacer filtrado en condiciones dinmicas en un instrumento como el FANN 90. Determinacin de la Composicin del LODO En lneas generales podemos decir que el LODO est compuesto por slidos lquidos cualquiera sea la naturaleza de estos El conocimiento tanto de la composicin del LODO como de la densidad nos permite plantear balances de masas que nos permiten determinar al por menor la composicin global del LODO.

LA RETORTA El instrumento para determinar los slidos totales y lquidos que componen al LODO se conoce con el nombre de RETORTA. La Retorta consta de: -Un recipiente contenedor de la muestra a analizar generalmente de 10cc. -Una tapa que tiene un orificio central [Para permitir el paso de los fluidos gasificados]GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 26


-Todo esto se acopla a un sistema contenedor de slidos arrastrados por los gases calientes [hilos metlicos]. -El conjunto en si se coloca a una fuente de calor [horno] hasta 600C. -Los gases productos de la destilacin pasan a un condensador donde se licuan y son recibidos en una probeta graduada. El resultado se expresa en % en volumen de slidos y lquidos. En trminos genricos: En trminos ms especficos para clculo de LODO: (1) (2) (3) Dnde:

Contenido de Arena Dentro del total de slidos que contiene el LODO esta la arena que es aportada por las formaciones y en algunos casos algunos productos qumicos en pequeas proporciones y que para conocer su cantidad se hace uso de una separacin de partes a travs de una malla que retiene la arena y se la cuantifica en % en volumen. El Instrumento de anlisis se llama ARENOMETRO mostrado en la figura


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Como se puede observar en la figura, se compone de un tubo de vidrio el que tiene una escala porcentual en parte inferior donde se puede leer el contenido de arena en %vol., tambin cuenta con una marca inferior que indica MUD HERE [LODO hasta aqu] y otra marca superior que dice WATER HERE [agua hasta aqu], adems completa al equipo un cilindro con malla de 200 MESH y un embudo. Para efectuar el anlisis, se procede de la siguiente manera: Se agrega LODO hasta la marca LODO hasta aqu y se completa con agua hasta la marca agua hasta aqu, se agita para formar una mezcla homognea e inmediatamente se vierte la mezcla sobre la malla dejando limpio el tubo de vidrio con lavado con agua limpia; de la misma forma se procede al lavado de la nuestra slida que queda sobre la malla, posteriormente se invierte la posicin del cilindro contenedor de la malla y se le coloca el embudo procedindose al agregado de agua para lo que qued retenido en la malla pueda caer sobre el tubo de vidrio y sea evaluado en forma de por ciento volumtrico

Existen otras determinaciones efectuadas al LODO base agua como tambin al LODO base aceite como ser la Prueba del Azul de Metileno, contenido de archilamida, anlisis de salinidad, determinacin del calcio, y de la alcalinidad que para un LODO base aceite tiene una metodologa especial. DETERMINACION DEL MBT MBT deriva del Ingles Methylene Blue Test que significa Prueba de Azul de Metileno, es decir que el MBT no es otra cosa que la Prueba de Azul de


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Metileno [P.A.M.], Puntualmente, el MBT es el contenido de arcillas en el Lodo. INSTRUMENTOS QUE SE USAN PARA DETERMINAR EL MBT

REACTIVOS QUE SE USAN PARA EL MBT -Filtrado [Muestra]. -Solucin de Azul de Metileno [1ml]. -Agua Oxigenada 3%vol -Acido Sulfrico de 5N -Agua Destilada PROCEDIMIENTO PARA MEDIR EL MBT -Se toma 2 ml de Filtrado en el Erlenmeyer -Agrego: -15ml de Agua oxigenada -0.5ml de Acido Sulfrico de 5N -Llevar a la Estufa y hervir la mezcla con moderacin durante 10 min.GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 29


-Agregar: -50ml de Agua Destilada. -Agregar: -0.5ml de solucin de Azul de Metileno gota a gota agitando la solucin durante al menos 30 seg. -Mientras los slidos estn en suspensin remover con el agitador una gota de la mezcla y colocarla en el papel filtro Continuar con esta Operacin hasta que se observe alrededor de la gota depositada un anillo o aureola azul, alrededor de los slidos secos. -Luego esperar 2 minutos aproximadamente [Si la aureola desaparece continuo con la operacin]. -Reportar:

DETERMINACIN DE LA SALINIDAD La determinacin de la Salinidad de la determina con los siguientes instrumentos: -Copa Contenedora de Lodo -Pipeta -Varilla Agitadora REACTIVOS PARA Cl-: -Filtrado. -Acido Sulfrico de 0.02N. -3ml de Fenolftaleina. -Cromato de Potasio [5-10] gotas. -Nitrado de Plata de 0.028N 0.28N. PROCEDIMIENTO PARA MEDIR EL ION CLORURO -Se toma 2ml del Filtrado -Se Efecta el Pf NOTA.-El Pf deriva del Ingles Phenolphthalein y en espaol es Fenolftaleina y este es la alcalinidad del Filtrado a la Fenolftaleina y nos da una idea de la cantidad de los iones Oxidrilos que tiene la muestra. PROCEDIMIENTO PARA DETERMINAR EL Pf: NOTA.-Primero se toma un papel de Tornasol y se mide el Ph; si el Ph < 8.3 entonces se Reporta que el Pf = 0; Caso contrario se procede de la siguiente manera: -Se toma 1 ml de la Muestra. -Agrego 2 3 gotas de Solucin Indicadora [Fenolftaleina]. -Si: la Solucin se torna roja:GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 30


-Titular: Acido Sulfrico de 0.02N hasta que la coloracin desaparezca. -Reportar:

-Si: la solucin no se torna color roja: -Reportar: -Agregar [25-50] ml de Agua Destilada -Se agrega entre [5-10] gotas de Cromato de Potasio -Si: la Solucin se vuelve amarillo: -Titular: Nitrato de Plata [gota a gota]; Hasta que la coloracin desaparezca -Reportar:

Dnde:

-Si: la solucin no se torna color: -Reportar:

Un anlisis muy importante es la determinacin de la estabilidad elctrica en los LODOS de emulsin inversa. En anexos se dan las metodologas de las distintas determinaciones en los LODOS base agua y base aceite. Lo visto anteriormente podemos decir que en los fluidos de perforacin est involucrada una tecnologa en la que se aplican: -Conocimiento cientfico -Principio de ingeniera -Fsica -Qumica -Geologa -Econmica para poder desarrollarlos. El ingeniero de LODOS debe ser un profesional que este empapado de la tecnologa de los Fluidos de Perforacin que con su talento y experiencia pueda ayudar a llevar a un final feliz la perforacin de un pozo, debe ser capaz de no solo de llevar el Mantenimiento de un LODO en el pozo sino tambin de disear y seleccionar el fluido adecuado.


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Los fluidos que intervienen en un trabajo neto de un Pozo Petrolero se los clasifican segn la actividad realizada, as tenemos los siguientes fluidos: *Fluidos de Perforacin *Fluidos de Terminacin *Fluidos de Intervencin o Reparacin *Fluidos de Empaques Cada uno de ellos tiene sus caractersticas propias adecuadas para el trabajo a realizar. Si bien en el diseo de un LODO se tiene en cuenta el costo del mismo. Hay que tener en mente que no necesariamente un LODO econmico puede ser el ms adecuado, ya que se debera evaluar al final la productividad del pozo: pero eso s, ante igualdad de problemas presentados en perforacin de pozos de un dado rea, para dos tipos de LODOS, se debe inclinar la decisin por el mas econmico. Siempre debe primar el comportamiento del LODO en el pozo y los resultados obtenidos frente al costo total del LODO. En el costo total de un LODO programado intervienen diferentes factores que hay que tener muy en cuenta para una evaluacin ms acertada de los fluidos, el comportamiento de un LODO va cambiando a medida que se perfora un pozo, el fluido diseado debe ser lo bastante flexible para poder adaptarse a esos cambios es decir no deteriorarse con el avance de la perforacin de tal forma que la recuperacin de sus propiedades sean muy costosas. Entre los factores que inciden en el costo global de un LODO tenemos A) Factores Superficiales: 1.-Ubicacin del pozo, la posicin geogrfica de la ubicacin incide sobre la programacin de un LODO. La accesibilidad del pozo es importante para analizar el costo de transporte de los productos, se deben escoger los productos ms adecuados y efectivos. 2.-La disposicin y calidad del agua de preparacin del fluido base agua es otro aspecto a tener en cuenta. 3.- La calidad de los productos a usar incide sobre las propiedades de los fluidos. 4.- Regulaciones legales sobre el uso de algunos productos 5.-deposicion de los recortes generados 6.-aspecto de servicio de ingeniera, personal que debe correr o supervisar los fluidos en el pozo. B) Factores Sub-superficiales: Entre estos factores tenemos todo lo relacionado al diseo del LODO como ser: *aspectos geolgicos geomtricos *profundidadesGUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 32


*presiones a encontrar *temperaturas a encontrar *dificultades de las formaciones a atravesar. Algunas veces los factores superficiales pueden afectar al factor Subsuperficial como es el caso de perforacin en el rtico donde el PERMAFROST da lugar a inestabilidad de agujero sobre todo en zonas de gravas y arenas. La etimologa de la palabra permafrost viene del ingls (perma- de permanent = permanente y frost = congelado) la palabra fue acuada en 1943 por S. W. Muller. Aunque esta palabra se utiliza literalmente en espaol, existen equivalentes para remplazarla como permagel, pergelisuelo, pergelisol o suelo permanentemente congelado o helado. La perforacin de huecos de gran dimetro, profundidades grandes de huecos abiertos, crea problemas no solo en la limpieza o el control de slidos del LODO, sino tambin en el desplazamiento del LODO, ubicacin de fluidos especiales, en las cementaciones efectuadas. C) Factor Equipo La capacidad de un equipo puede afectar en gran media un programa de LODOS, inadecuadas bombas, equipos de mezclado deficientes o pobre control de slidos puede incrementar el consumo de materiales, y algunas veces el programa de LODO preferido debe ser reformulado para compensar estas deficiencias. Hay que centrar mucho la atencin en el Equipo de Control de Slidos por su gran incidencia que en el costo del LODO. Determinacin del Ph del LODO El Ph o potencial hidrogeno se define de la siguiente manera:

Puede ser determinado por el mtodo de papel Ph; que consiste en poner en contacto un papel especial [Papel Tornasol] y la muestra [En una esptula preferentemente] que dependiendo del Ph de la muestra se desarrollara un determinado color el cual es comparado con una escala colorimtrica.


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Otra manera de determinar el Ph es a travs del Ph-meter digital que consta de un electrodo de vidrio que al hacer contacto con la muestra a analizar da en un visor lecturas de las muestras.

PRODUCTOS QUIMICOS QUE COMPONEN EL LODO Al preparar un LODO de perforacin base agua, se agrega al agua una serie de productos qumicos que tienen su respectiva composicin qumicas como ser: *almidones *arcilla *comercial [Bentonita] *Baritina *polmeros en general *soda caustica *etc. Este LODO as preparado entra en contacto con -Las formaciones atravesadas -Recortes generados [y sus fluidos que contienen] Los cuales pueden reaccionar con el LODO pudiendo cambiar sustancialmente las propiedades del LODO. La corteza terrestre formada por:GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 34


-Arcillas y arenas en sus distintas naturalezas. -Minerales -Fluidos lquidos hidrocarburos gaseosos -Agua con distintas sales Todas estas sustancias reaccionan unas ms que otras interfiriendo en forma qumica en la composicin del LODO dando lugar a propiedades inadecuadas: -Una variacin de la viscosidad -Aumento del filtrado -Cambio en el Ph Son consecuencias de cambios en la composicin qumicas del LODO por lo tanto siempre es necesario conocer la composicin qumica del LODO para hacer las correcciones respectivas y poder trabajar en un rango programado o ms adecuado para la estabilidad del pozo. Existen mecanismos de anlisis qumicos dados por la API a fin de poder determinar la composicin qumica del LODO. API tiene normalizada los siguientes anlisis: El equipo de anlisis se muestra en anexos A El Pf es la abreviatura derivado del ingls phenolphthalein que a su vez significa Fenolftaleina El Pf.- es la alcalinidad Del filtrado a la fenolftaleina, nos da una idea de la cantidad de ion hidroxilo y carbonatos que tiene el LODO. Su determinacin es la siguiente manera. Se debe tomar un ml de filtrado agregar 2 a 3 gotas de fenolftaleina, el indicador, que si el filtrado tiene un PH mayor a 8.3 se tornara de un color rojo, para luego titular con el acido sulfrico 0.02 N hasta que la coloracin roja desaparezca y se da por terminada la titulacin. El valor del Pf es la cantidad de ml de acido gastado por ml de filtrado. Mf.- Es la alcalinidad del filtrado al naranja de metilo y nos da la idea de la cantidad del ion bicarbonato y carbonatos que tiene el LODO. Se lo determina de la siguiente manera: Se debe tomar uno o ms ml de filtrado, se le agrega 2 a 3 gotas de naranja de metilo, el filtrado tomara una coloracin naranja y luego se lo titula con acido sulfrico 0.02N hasta que la coloracin naranja se torne de color rosa concluyendo la titulacin. El valor del Mf son los ml de acido gastado por ml de filtrado. Pm.-Es la alcalinidad del total del LODO a la Fenolftaleina es decir es el aporte a la alcalinidad de todos los iones que tiene el LODO.GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 35


Se lo determina de la misma manera que el Pf pero la muestra tomada es de LODO. El conocimiento de los ion cloruro que tiene el LODO es muy importante para hacer un buen mantenimiento de las propiedades. El ion cloruro se determina de la siguiente manera: Se toma 1ml de filtrado, se determina el Pf, luego se agrega 2 a 3 gotas del indicador Cromato de Potasio el cual da una coloracin amarilla al filtrado para luego titular con nitrato de plata hasta que la coloracin amarilla se torne de color rojo ladrillo, que indica el punto final de la titulacin El valor de los cloruros en es:

Donde: F = depende dela concentracin del Nitrato de Plata usado [ver apendices] Otro analisis que se realiza al LODO es la determinacion de la dureza del filtrado, la cual es tambien muy importante conocer ya que depende de su valor el tratamiento a efectuar. Para su determinacin: Se toma 1ml de filtrado se le agrega 4 a 5 gotas de solucion Buffer que es una mezcla de cloruro de amonio con hidroxido de amonio, se le agrega 3 a 4 gotas de murexida el filtrado se torna de color rojo guinda luego se lo titula con solucion EDTA 20 EPM hasta que la mezcla se vuelve de una coloracin azul, el valor de la dureza [ion calcio] es: * +


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TEMA N2 Qumica de las Arcillas La tierra as como siguiente esquema: la conocemos, est compuesta genricamente en el

Tierra Compuesta por:

Solidos Liquidos

Gases

AguaDistintas Concentraciones de Sales

Oxigeno Monoxido Dioxido de Carbono

Hidrocarburos Gaseosos

Gran Extensin y Volumen de la Corteza Terrestre

Hidrocarburos Lquidos

Sulfuro de Hidrogeno

Al perforar la corteza terrestre nos encontramos con formaciones que contienen tanto gas, lquidos y slidos, si bien los lquidos y gases hidrocarburos son la finalidad de la perforacin petrolera, analizaremos las partculas solidas que en mayor cantidad se encuentra en la perforacin y los que ms actan sobre el LODO.


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Desde el punto de vista petrolero clasificaremos a las partculas de la siguiente manera:

Arena > 74

(Arena a toda particula mayor a 74 Micrones)2 Silt 74 ( Silt = limo)

Arcillas < 2 (Formar Solucion Coloidal) [MBT] Definicin de Arcillas.- Es toda partcula compuesta de oxido de silicio y aluminio, son silico-aluminatos que al ser mezclada con agua forman una solucin coloidal. Para los gelogos, las arcillas son minerales de silicio y aluminio conformado por estructura cristalina de forma de tetraedros y octaedros que debido a sus tamaos pueden denominarse como micro cristales. Tambin se dice que una arcilla es un material plstico moldeable muy usado en la alfarera. Un cristal de arcilla debido a su tamao no puede ser observado a simple vista, siendo necesario para ello hacer uso de tcnica especial, como ser: * Microscopa ptica * Difraccin de rayos X *espectro de adsorcin [anlisis trmico diferencial] Sus elementos ms comunes que la componen son: Oxigeno Hidrogeno Silicio Aluminio Magnesio Potasio Calcio Sodio Hierro

Adsorcin.- es un proceso fsico o qumico por el cual tomos, iones o molculas son atrapados o retenidos en la superficie de un material. Absorcin.- es un proceso fsico o qumico en el cual tomos, molculas o iones pasan de una primera fase a otra incorporndose al volumen de la segunda fase. Las cuales se encuentran en forma de iones. ION.- Es un elemento que ha perdido o ha ganado un electrn en su ltima capa electrnica; se llama catin, al ion que ha perdido uno o ms electrones y anin al elemento que ha ganado uno o ms electrones.


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Todo tomo o elemento tiene en su ltima capa orbital electrones que pone en juego en la reaccin del Cloro con el Sodio para formar la molcula de sal [ClNa],

El Cloro tiene en su ltima capa orbital 7 electrones necesitan de un electrn para completar su octeto el cual es cedido por el Sodio quien tiene un electrn en su ltima capa el cual puede ser cedido. Cuando ocurre la reaccin qumica el Cloro gana un electrn quedando su estructura cargada con una carga negativa y el Sodio al ceder el electrn queda con una diferencia de una carga elctrica es decir queda con una carga positiva. El In Sodio es monovalente porque pone en juego un solo electrn que viene a ser su valencia de Reaccin. Existen elementos que tienen dos electrones de valencia como el Calcio por lo tanto son bivalentes, el Aluminio tiene tres electrones de valencia, es trivalente, etc. La arcilla, un mineral de rocas sedimentarias cumplen un ciclo en la naturaleza llamado Ciclo de las Arcillas.


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Este Ciclo consiste en las siguientes Etapas:

Quinta Etapa.- Etapa de Granitizacin son transformadas por proceso de Isomorfismo en rocas de granito

Primera Etapa.- Etapa de Transporte-Desde las profundidades de la Tierra a la Superficie

Cuarta Etapa.Enterramientos de las arcillas, sufre cambios de Estructura por efecto de la Presin y Temperatura [Proceso Diegenetico de las Arcillas] Tercera Etapa.- Etapa de Transporte en Superficie- transportada por los rios hasta las cuencas Sedimentarias donde se depositan [aqui cambia las propiedades]

Segunda Etapa.- Etapa de Erosin o Degradacin del Tamao de las Rocas[aqui nace las arcillas]

Primera Etapa.- La Primera Etapa se debe a movimientos tectnicos de fallas geolgicas, terremotos, etc. Segunda Etapa.- La Segunda Etapa se debe a condiciones climticas que imperan en la superficie. Un Ejemplo: La Temperatura, frio calor de superficie (Dilatacin Compresin) afecta a las partes cementantes que mantienen unidas las partculas finas provocando su fatiga por calentamiento y enfriamiento continuo hasta romperlas y separarlas de las rocas grandes.GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 40


La Hidrlisis que es un proceso lento de hidratacin provoca la solubilidad de hidrlisis es dominado por el tipo de agua y Ph que se tiene as por ejemplo las aguas estancadas en presencia de vegetacin tienen Ph menor a 7 por fermentacin de los vegetales lo que incide en la solubilidad de los minerales arcillosos; el otro factor erosivo de menor importancia es el aire en movimiento. Tercera Etapa.- La Tercera Etapa se debe a la interpretacin qumica que sufren con el medio qumico por donde circulan durante el trayecto hasta llegar a la cuenca, aun aqu las mismas sufren cambios qumicos. Cuarta Etapa.- La Cuarta Etapa se debe a la deposicin de mas material que llega a la cuenca sedimentaria, aqu la arcilla sufre cambio en su estructura debido a efectos de la presin y temperatura que involucra el proceso. A este efecto de la Presin y Temperatura se lo conoce con el nombre de Proceso de Biogentico de las Arcillas. Quinta Etapa.- La Quinta Etapa se debe al poder de Reaccin Qumica que tienen las arcillas, es decir al poder ubicar iones en su estructura cristalina, da lugar a la gran cantidad de arcillas que se encuentras en la naturaleza. Existen 7 grandes grupos de arcillas desde el punto de vista de inters petrolero cada cual con sus respectivas especies principales. Antes de describir los grupos analizaremos la estructura cristalina de un mineral de arcilla. Estructura Cristalina de las Arcillas.- Las arcillas por lo general estn compuestas por tetraedro de de Silicio y Octaedro de Aluminio, Magnesio u otro mineral. En la siguiente pgina se muestra un tetraedro regular en los vrtices ubicados los tomos de oxgeno u oxidrilos y en el centro del tetraedro se ubica el tomo de silicio. Es decir el silicio est coordinado con 4 tomos de oxgenos. Tres de los oxgenos de cada tetraedro son compartidos por tres tetraedros vecinos ubicados hacia abajo dando una configuracin de simetra hexagonal entre los tomos semejantes de cada tetraedro, dejando en esta estructura espacios libres.


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En el siguiente grafico se muestra un Octaedro regular con el tomo metlico en el centro coordinado con 6 tomos de oxgenos u oxidrilos en los vrtices Estos oxgenos son compartidos con octaedros vacios dando un arreglo de forma de hexgono sin espacios vacios. Cuando el centro del octaedro est ocupado por el Al, esta estructura se llama GIBSITA, que es la estructura del mineral Hidrxido de Aluminio.


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Si es Mg quien ocupa el centro del octaedro, la estructura se llama BRUCITA, que la estructura del mineral Hidrxido de Magnesio.

En el caso de la GIBSITA solo de 2 a 3 tetraedros llevan al Aluminio en el centro llamndose a esta capa DIOCTAEDRAL. En el caso de la BRUCITA los 3 octaedros pueden llevar en sus centros al Mg y a esta capa se llama TRIOCTAEDRAL. Debido a la analoga simtrica y a las dimensiones casi idnticas del tetraedro y del octaedro, estos comparten tomos de oxgenos entre ellos y el cuarto oxigeno del tetraedro, es compartido por el octaedro. Este comportamiento puede ocurrir entre un tetraedro de Silicio (Silica) y un octaedro de Aluminio (Alumina) conformando un mineral de 2 capas denominada 1:1 y dos capas de tetraedro de Silicio en los extremos y al Medio un octaedro formando un mineral de dos capas denominada 2:1 a la combinacin de capa[s], de octaedro[s]. Llama capa unitaria las cuales se colocan en forma paralelas una encima de otras para constituir el mineral de arcilla. Debido a la relativa facilidad con que algunos cationes pueden ser reemplazados por otros, de igual o diferente carga elctrica da lugar a tener estructuras no balanceadas, lo que origina la gran cantidad de grupos y subgrupos de arcillas en la naturaleza. Analizaremos los distintos grupos de arcillas.GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 43



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GRUPO DEL CAOLIN El caoln es un silicato de aluminio hidratado, descomposicin de rocas feldespticas principalmente. producto de la

El trmino caoln se refiere a arcillas en las que predomina el mineral caolinita su peso especfico es de 2.6 su dureza es 2, de color blanco, puede tener diversos colores debido a las impurezas brillo generalmente terroso mate es higroscpico (absorbe agua) su plasticidad es de baja a moderada. Otras propiedades importantes son su blancura, su inercia ante agentes qumicos, es inodoro, aislante elctrico, moldeable y de fcil extrusin resiste altas temperaturas, no es txico ni abrasivo y tiene elevada refractariedad y facilidad de dispersin. Es compacto, suave al tacto y difcilmente fusible. Tiene gran poder cubriente y absorbente y baja viscosidad en altos porcentajes de slidos. En si la arcilla por el tamao de su partcula menor a 2 micrones caen dentro del rango de los coloides y estn comprendidas entre las partculas ms pequeas vistas por un microscopio ptico y las molculas pudiendo los mismo ser cualquier sustancia. Los coloides se clasifican en:

De los slidos que componen un LODO estn aquellos que se agregan para obtener propiedades adecuadas del LODO entre los que se encuentran los coloides y aquellos que son generados por el trepano llamados recortes cuyo tamao depende del tipo de trepano usado. Por lo general los recortes caen dentro del rango de SILT.GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 45


Por lo tanto no causan mayores problemas al LODO a no ser que estn en altas concentraciones. En general los Coloides constituyen una pequea parte del total de slidos, pero s de gran inters ya que ellas ejercen mucha influencia en las propiedades del LODO. Nuestro estudio comprender mas al anlisis del sistema coloidal que forman, donde el coloide se encuentra disperso en un medio continuo que lo contiene. Existen distintos sistemas coloidales dependiendo de las formas en que se encuentran los componentes del sistema. As tenemos los sistemas coloidales de slidos dispersos en un lquido. Ejemplo: Arcillas en agua [Fluidos de Perforacin], gotas de lquidos dispersos en otro lquido como ser las emulsiones y los slidos dispersos en aire. Dentro del estudio que nos interesa analizaremos los sistemas coloidales de slidos dispersos en agua, que es la base de los fluidos de perforacin. En estos sistemas las partculas muy pequeas de slidos se mantienen en suspensin en forma indefinida en el agua debido al fenmeno conocido como Movimiento BROWNIANO [bombardeo de molculas de agua], este fenmeno causa un movimiento errtico de las partculas slidas que puede ser observado por un ultra microscopio. Metfora intuitiva del Movimiento Browniano Considere un gran baln de 10 metros de dimetro. Imagine este baln en un estadio de ftbol o cualquier otra rea llena de gente. El baln es tan grande que permanece por encima de la muchedumbre. Las personas aciertan a golpear el baln direcciones de manera completamente aleatoria. Por ello, el baln no sigue una trayectoria. Ahora, considere una fuerza ejercida durante un cierto tiempo; podemos imaginar 20 personas empujando para la derecha y 21 para la izquierda y que cada persona est ejerciendo cantidades de fuerza equivalentes. en diferentes momentos y


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En este caso las fuerzas ejercidas por el lado izquierdo y por el lado derecho no estn equilibradas, favoreciendo al lado izquierdo, por lo que el baln se mover ligeramente hacia la izquierda. Esta desproporcin aleatorio. siempre existe, y es lo que causa el movimiento

Si observramos la situacin desde arriba, de modo que no pudiramos ver a las personas, veramos el gran baln como un objeto animado por movimientos errticos. Ahora volvamos a la partcula de polen de Brown nadando aleatoriamente en el agua. Una molcula de agua mide aproximadamente 1 nm, mientras una partcula de polen tiene aproximadamente 1 m de dimetro, 1000 veces mayor que una de agua. As pues, la partcula de polen puede ser considerada como un gran baln empujado constantemente por las molculas de agua. El Movimiento Browniano de las partculas en un lquido se debe a las desproporcionalidades instantneas en las fuerzas ejercidas por las pequeas molculas lquidas sobre la partcula. Estos sistemas tienen importantes caractersticas de las cuales se hacen uso para disear un fluido de perforacin. Ellas son: *La Viscosidad. *La Velocidad de Sedimentacin que son controladas por fenmenos de superficie. El fenmeno de superficie se explica debido a que las partculas que se encuentran en la superficie, sus cargas elctricas que tiene no se encuentras balanceadas en cambio s lo estn las que se encuentra al interior del fluido; por lo tanto, las que se encuentran en la superficie llevan una carga elctrica cuyo tamao y signo depender de la coordinacin de los tomos en ambos lados de las interfaces. Las arcillas por lo general tienen un alto potencial superficial debido a ciertas deficiencias en la estructura atmica la que veremos ms despus. Cuando ms dividida se encuentra una partcula, mayor es su actividad qumica debido a que exhibe una mayor rea de influencia es decir que los efectos superficiales son funcin directa de la superficie expuesta por la arcilla. As por Ejemplo:GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 47


Un cubo de 1 cm de lado [arista] tiene una superficie [rea] total de accin de 6 cm2, si al cubo de 1 cm de arista lo dividimos en cubo de 0.5 cm de arista, generar 8 cubos con rea de accin cada uno de 1.5 cm2, en total el rea de los 8 cubos generados ser de 12 cm2. Esquema del Ejemplo:

Como se puede observar, la divisin de una partcula en partculas ms pequeas aumentara en gran medida el rea de accin.

Llamaremos superficie especfica a la relacin del rea superficial por unidad de peso.GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 48


As tenemos, un Cubo de 1 centmetro cubico se divide en cubos de 1 micrn de lado generar un rea total de 6000.000 de mm2 y si la Gravedad promedio de las arcillas es de 2.7 se tendr un rea especfica de 2222.222,222 mm2 por cada gr de arcilla [mm2/g] o bien 2.22 m2/g. Podemos concluir que la actividad coloidal de un sistema depende de: a) De la Superficie Especifica que a su vez es funcin de las formas de las partculas. b) Del potencial Superficial que varia con la estructura atmica. Para que una arcilla pueda tener esta actividad constar con las siguientes propiedades a saber: 1.- Adsorber y Retener Agua 2.- Intercambio de Base 3.- Floculacin y Defloculacin Las arcillas adsorben y retienen agua de tres maneras siguientes: coloidal, ella debe

Adsorver y Retener Agua

1.-Como Agua de Cristalizacin

2.-Como Agua de Plano

3.-Como Agua de Unin Rota

1) ADSORVER Y RETENER AGUA 1.1.-Como Agua de Cristalizacin.- Esta es un agua propia de la composicin del cristal arcilloso y la eliminacin de ella significa la destruccin del cristal, para ello es necesario altas temperaturas. La Montmorilonita requiere 600C para eliminar su aguaGUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 49


1.2.-Como Agua de Plano.- Es el agua que se adhiere a todos los planos del cristal debido a que la arcilla puede no tener balanceada su carga elctrica.

La superficie de los cristales de silicato tiene una carga negativa debido a la sustitucin isomrfica de las lminas; es decir cuando se produce el reemplazo de un catin por otro de carga diferente. Por Ejemplo: Si un tomo de Aluminio [+3] es reemplazado por uno de Magnesio [+2], se obtiene como consecuencia una deficiencia de carga y por consiguiente se crea un potencial negativo en la superficie del cristal. Inmediatamente creada la carga negativa, es neutralizada por el ion Hidrogeno [+1] el cual se adhiere al plano del Cristal por unin puente hidrgeno, siendo este hidrgeno proporcionado de la disociacin del agua, segn la siguiente ecuacin:

De esta manera se pueden adherir hasta 4 molculas de agua a la superficie del cristal. 1.3.-Como de Unin Rota.- Es el agua que se adhiere en las roturas de toda unin rota de la arcilla. El cristal de arcilla puede romperse por distintas maneras como ser: *Por circulacin del LODO en un flujo turbulento. *Por accin del trepano. *Por la accin de los Equipos de Control de Slidos [E.C.S.]GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 50


Producto de esta quedan en los bordes de la rotura cargas elctricas no balanceadas [- y +] en las cuales pueden adherirse molculas de agua para neutralizar dichas cargas. Esta es una de las razones para que el lodo circule en flujo laminar en la mayor parte del pozo, como tambin no es aconsejable la recirculacin de los recortes de formacin para no ser nuevamente molidos por el trepano. Como puede verse, existen dos Mecanismos de Hidratacin de las arcillas *Hidratacin Superficial.- Que es la adsorcin de capas mono moleculares de agua en la superficie o planos de la arcilla hasta un mximo de 4 molculas de agua. *Hidratacin Osmtica.- Que es el agua adherida debido a la diferencia de concentracin de los iones en la base del cristal. La Montmorilonita sdica adsorbe 0.5 gr de agua por gr de arcilla seca llegando a duplicar su volumen, mientras que en la hidratacin osmtica, la arcilla adsorbe 10 gr de agua produciendo un aumento de volumen mayor a 20 veces. 2) INTERCAMBIO DE BASE Es una de las propiedades muy importante de los LODOS de l dependen: *la hidratacin *hinchamiento *dispersin *adems de otras caractersticas que tienen que ver con la estabilidad de las arcillas. Una causa de la sustitucin isomrfica es la adhesin de iones mono valentes o bivalentes en la base del Cristal que son los que mantienen unidas las capas de los cristales y constituyendo el tipo bsico de la arcilla [arcilla sdica o clcica]. La arcilla sdica debido a la solubilidad que tiene este ion, la arcilla puede acumular grandes cantidades de agua en su base, esto hace que las lminas del cristal puedan estaR debilitadas. Al introducir en la solucin coloidal un ion calcio [+2], ste debido a su doble valencia y a que es menos soluble en agua compite en la estabilidad del cristal y desplaza al ion sodio de la base produciendo lo que se conoce con el nombre de intercambio de base. [C.I.C.] Significa capacidad de intercambio cationico.GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 51

base agua, ya que


[C.E.C.] Significa Cation Exchange Capacity Deriva del traducido al espaol es Capacidad de Intercambio Cationico.

Ingles

que

Intercambio de Base se llama a la capacidad de intercambio cationico a la capacidad que tienen las arcillas de intercambiar cationes en su base y se mide en mili equivalentes por cada 100 gr de arcilla seca. Existe una serie que mide la fuerza relativa de desplazamiento que tienen los cationes uno con respecto a otro y se la conoce como la serie de HOFFMEISTER licotrpica. La serie de Hofmeister o serie licotrpica es una clasificacin de los iones en funcin de su capacidad para el consumo de sal o sal en las protenas. Ella consiste en lo siguiente:

Esto significa que el Hidrogeno cuya unin puente hidrogeno es las mas fuerte puede desplazar de su posicin al Ca, K, Na y Li, el in Calcio no puede desplazar al H pero si al K, Na y al Li y as sucesivamente. Lo anterior es cierto siempre que no se tenga efecto de masa es decir cantidad en el desplazado. Se tiene los siguientes valores de [C.I.C.] para minerales arcillosos a Ph = 7 y temperatura ambiente.

Como se puede observar la Montmorilonita que es la base de la Bentonita es la arcilla que mayor capacidad de intercambio tiene debido a que tiene en su base al ion Sodio, en cambio la Caolinita, que tiene en su base al in Hidrogeno tiene valores muy bajos por lo que se la considera como una arcilla prcticamente inerte. 3) FLOCULACION Y DEFLOCULACION.-La agrupacin de partculas y la separacin de las mismas constituyen el anlisis De floculacin y Defloculacion aunque en los LODOS de Perforacin se tiene que hablar tambin de agregacin y dispersin.GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 52


Floculacin.- Definiremos como el dbil agrupamiento desordenado de partculas para formar floculos o estructura gel. Este agrupamiento puede ser: *De borde a cara o de borde a borde

Pudiendo entrampar en su estructura as conformada grandes cantidades de agua. Hemos visto que las partculas coloidales permanecen indefinidamente en suspensin debido a su tamao muy pequeo y solo si ellas se agrupan en unidades mayores, pueden adquirir cierta velocidad de sedimentacin. Este agrupamiento depende del medio en que se encuentran; si es agua pura, las partculas no se aglomeran debido a la difusividad de la doble capa, pero si un electrolito es agregado esta doble capa es comprimida, y si bastante electrolito es agregado, las partculas pueden acercarse ms unas a otras tanto que las fuerzas atractivas predominan y la partcula se aglomera. Es fenmeno es conocido como FLOCULACION y la concentracin del electrolito a la cual esto ocurre se llama valor de floculacin.

El valor de floculacin depende no solo del catin de intercambio sino tambin del espacio c de la base y de sales agregadas.GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 53


A mayor valencia del catin ya sea de la arcilla o de la sal, mas bajo es el valor de floculacin as, la Montmorilonita Sdica es floculada con alrededor de 1.5 meq de Cloruro de Sodio; y la Montmorilonita Clcica, es floculada con 0.2 meq/lt Esta situacin es ms complicada cuando el catin de la sal es diferente al de la arcilla debido a que ocurre un cambio de base, pero el valor de floculacin es siempre ms bajo cada vez que cationes polivalentes estn involucrado , as por Ejemplo: El valor de floculacin de la arcilla sdica por el Cloruro de Calcio es de 5 meq/lt de Cloruro de Sodio. Es importante saber que si la concentracin de arcilla en una suspensin es bastante alta, la floculacin podra causar la formacin de una estructura de gel continua en lugar de floculos individuales. El gel observado en un fluido de perforacin acuoso es el resultado de una floculacin por sales solubles que est siempre presente en suficiente concentracin en los LODOS. La estructura gel es producida lentamente con el tiempo a medida que la partcula se orienta dentro de la posicin mnima energa libre bajo la influencia del movimiento BROWNIANO de las molculas de agua, (una posicin de mnima energa libre podra ser obtenida por Ejemplo: por el movimiento de las cargas positivas hacia unas de las caras con respecto a las cargas negativas que se ubican en la otra cara de partcula). El tiempo requerido de un gel para obtener un mximo esfuerzo depende de: *Del valor de floculacin para el Sistema *De la concentracin y tipo de arcilla *de la concentracin de la Sal A muy bajas concentraciones de arcilla y sal, se podra tardar das para observar el proceso de gel, mientras que a altas concentraciones de sal, el proceso de gel puede ocurrir instantneamente. Defloculacin.-El proceso inverso a la Floculacin se denomina Defloculacion por que consiste en la destruccin de un estado floculado.

El proceso de Defloculacion consiste en s en neutralizar las fuerzas de atraccin, el defloculante [adelgazante, como se lo llama en el negocio de fluidos de perforacin] estos pueden ser sales de Sodio de ciertos complejos aninicos como polifosfatos, tannatos y lignosulfonatos de Hierro o Cromo cuyas molculas complejas se orientan en la superficie deGUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 54


la cara de la arcilla por adsorcin sobre la carga positiva y obtiene por intercambio de base de tomos de hierro y cromo por el Sodio el Calcio de la arcilla. La floculacin se puede prevenir por el aumento del valor de floculacin del sistema, agregando en forma preventiva los adelgazantes adecuados que por lo general son sales insolubles. Las fuerzas que intervienen en un proceso de floculacin son: *Fuerza de Valencia Parciales. *Fuerza de VANDER WALLS. El Fluido de Perforacin el proceso de agregacin es distinto al de floculacin ya que ellos tienen gran efecto sobre la Reologa de los LODOS. *Fuerza de Valencia Parciales.- Son fuerzas atractivas de valencias que han quedado sin neutralizar en una partcula; son causa principal de la floculacin de una arcilla. Estas cargas sin neutralizar, provienen del rompimiento de la estructura neutra de la arcilla y actan de manera independiente. *Fuerza de VANDER WALLS.-Estas fuerzas son de corto alcance aunque su radio de alcance vara segn el tamao de la partcula y no es especifico en cuanto a la carga. Es comparable con las fuerzas gravitacionales de la tierra. El uso de algunos productos qumicos llamados defloculantes o dispersantes, son polmeros que tienen cargas negativas que logran fijarse en los centros de cargas positivas a las cuales neutralizan, logrando neutralizar el efecto de agregacin o floculacin debido a las atracciones entre partculas arcillosas. En Anexo se puede ver la diferencia entre floculacin- Defloculacion y agregacin - dispersin -La agregacin.- Se refiere al colapso de la difusin de la doble Capa y a la formacin de agregados de lminas paralelas es decir es una asociacin ordenadas cara a cara espaciadas a menos de una distancia de 20 A.

en este proceso hay una disminucin en el espacio del cristal, en ella prevalecen las fuerzas atractivas entre las laminas unitarias; si bien enGUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 55


la floculacin hay un incremento de la fuerza gel, en la agregacin existe una disminucin debido que se reduce el nmero de unidades activas que genera la fuerza gel y adems reduce el rea de interaccin por partculas. -La dispersin.- Describe la subdivisin de las partculas agregadas ya sea por medios mecnicos o electro qumicos.

Una solucin de Bentonita Sdica en agua pura se encuentra dispersa en cambio una solucin de Bentonita Clcica en agua pura se encuentra agregada, si a la sdica le agregamos 0.01N de Cloruro de Sodio y a la clcica se le agrega 0.01N de Cloruro de Calcio, las dos floculan quedando en la muestra un liquido en limpio sobre las suspensiones. TEORIA DE LA DOBLE CAPA Las partculas arcillosas en suspensin mantienen cargas elctricas en su superficie, las cuales atraen cargas positivas de la cual se rodean. A esta combinacin de cargas elctricas positivas y negativas a manera de un condensador se la conoce como Doble Capa Electrosttica.


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Los Cationes ms prximos a la superficie de la arcilla estn ms firmemente adheridos y se mueven juntamente con la partcula, mientras que el resto que se encuentran ms alejados de la partcula estn sujetos a menos fuerza de adherencia conformando la capa difusa y que pueden llegar a tener movimientos independientes del de la partcula. La diferencia entre la primera capa adherida y el seno de la solucin tiene une un gradiente potencial conocido como Potencial Z. Este potencial es el mejor factor controlador del comportamiento de la partcula. Cuando el agua de la solucin es agua pura, el potencial esmximo y la capa difusa posee mayor movilidad. El agregado de electrolitos, comprime la fase difusa y reduce el potencial Z y mucho mas con el aumento de la valencia del ion adherido, especialmente si cationes de baja valencia son reemplazados por otros de valencia mayor, as por Ejemplo: cuando el cambio de base es de un ion mono Valente por un ion bivalente el potencial va de 1 a 1/10, y si el reemplazo es de un ion bivalente por un ion trivalente, la disminucin va de 1/10 a 1/500. La mayora de las arcillas tienen estructura cristalina compuesta por dos o tres capas siendo ms importantes las ultimas, es decir estn compuestas por dos tetraedros de slice y un octaedro de almina. Cada grupo de arcilla se distingue por su composicin o distribucin de sus elementos componentes como por su estructura de la red cristalina. La Montmorilonita anteriormente. es la arcilla ms importante como ya hemos visto

En general son silicio aluminatos que adems en su estructura pueden contener tomos de Fe y Mg. Que han sustituido a los elementos Si y/o al quedando la partcula de arcilla desbalanceada energticamente es decir con carga elctrica, la sustitucin de los metales de menor valencia por la de mayor valencia no es equivalente quedando la arcilla cargada negativamente, cargas que se distribuyen en la superficie de la arcilla y que tienen que ser equilibradas o que atraen en forma instantnea a algn catin del medio Na o Ca. Los cuales se adhieren a la arcilla s que formen parte de la red cristalina. A estos cationes adheridos se los conoce con el nombre de cationes de intercambio basal. Estos cationes de intercambio son la que hacen a una arcilla ms reactiva, es decir determina la actividad que tienen. Si tenemos una arcilla sdica por Ejemplo: que en forma hipottica la podemos representar por. AR-Na+ la cual al entrar en contacto con el agua se produce el siguiente fenmeno:

En el caso de la Bentonita, puede ocurrir la disociacin de la misma en un anin con carga negativa que constituye la parte solida y un catin queGUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 57


puede ser el sodio, calcio o magnesio, es decir una carga negativa frente a una carga positiva [+],[-], donde la carga negativa se halla rodeada por la cargas positivas que estn en la interface solido [arcilla] y liquida donde se establecen los cationes de sodio, calcio o magnesio y que est unida por efecto de atraccin elctrica. De esta manera se genera un campo elctrico estando las cargas distanciadas a una o dos molculas, esta configuracin que se asemeja a un condensador plano provisto de dos revestimiento es llamada la Doble Capa de Helmholtz. Donde en un extremo se encuentra la partcula de arcilla negativa y en el otro extremo la carga positiva del catin. con carga

Los cationes bajo influencias del movimiento Browniano o por efecto trmico pueden alejarse a mayores distancias de la partcula de arcilla logrando formar la parte difusa de la doble elctrica, o la tapa difusa de Hughes.

Su medida proporciona una idea detallada de los mecanismos de dispersin y es la clave del control de dispersin electrosttico. El potencial Z es un parmetro extremadamente importante a lo largo de una gran variedad de actividades Petroleras, industriales, bebidas, cermica, farmacutica, medicina, procesado mineral o tratamiento de aguas. Muchas industrias usan grandes cantidades de agua, que pueden ser contaminadas durante el proceso de produccin. El potencial Z puede ser usado para optimizar el uso de floculantes excesivamente caros y la velocidad del proceso de floculacin.GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 58


Cuando se formula una nueva suspensin o emulsin, uno de los mayores consumidores de tiempo es la medida de la estabilidad de las formulaciones candidatas en una gran variedad de condiciones. El potencial Z puede ser usado para el ensayo con stos candidatos para rechazar aquellos candidatos pobres en una etapa temprana; reduciendo el costo de un estudio de estabilidad. El potencial Z es una medida de la magnitud de la repulsin o atraccin entre las partculas. A consecuencia de la disociacin de la partcula en iones, alrededor de cada partcula solida que queda cargada negativamente, se orientan las molculas del agua segn su dipolo H+OH- atrayendo al protn para neutralizar su carga, y la carga negativa del dipolo agua puede atraer otro dipolo de agua que se orientara segn la primera. Por otra parte, los iones positivos de las arcillas que se disocian se pueden hidratar atrayendo ala molculas de agua por su parte negativa formndose de igual manera la cadena de agregado de agua. Alrededor de la parte solida negativa se forma una nube formada por dipolos de agua y cationes hidratados formando lo que se llama una envoltura hidratada en su totalidad neutra elctricamente constituyendo lo que se llama una miscela. En la envoltura hidratada, el agua, que es agua de constitucin, tiene estructura y propiedades de hielo, posee electricidad y viscosidad elevada y resistencia mecnica. A medida que los iones se alejan de la partcula, las fuerzas de atraccin disminuye y hace ms difcil la orientacin del dipolo de agua, el agua pierde sus propiedades de hielo tendiendo al agua de solucin. El espesor de la envoltura hidratada depende mucho de la magnitud de la carga de la partcula arcillosa y de la valencia de los cationes.GUTIERREZ VIDAL JUAN CARLOS Pgina 59


Cuanto mayor es la carga de la partcula arcillosa y menor es la valencia del catin, mayor es la nube de iones y ms fuerte es la hidratacin de la partcula arcillosa. En otras palabras estructura. cuanto mayor es el potencial Z ms estable la

Al disminuir el valor del potencial Z por el aumento de las cargas opuestas al de la carga de la partcula es decir al comprimir esa distancia la fuerza de atraccin superan a las fuerzas de repulsin logrando as el mayor agregado de partculas para aumentar el tamao de las mismas dando lugar al proceso de floculacin. HIDRATACION DE LAS ARCILLAS Bentonita.-Este producto es una Arcilla Comercial que contiene en su composicin elevado porcentaje de Esmctica ya sea de Sodio o de Calcio, dependiendo de la concentracin del ion dominante. La Bentonita de Wyoming [U.S.A.] es una arcilla con alto Rendimiento Bentonitico ya que est totalmente compuesta por mineral arcilloso sdico. Al agregar bentonita al agua puede que la misma se disperse formando una solucin coloidal y que al ir aumentando la concentracin, el sistema va adquiriendo viscosidad. Las propiedades que tiene la arcilla de adsorber y retener agua que es un proceso de hidratacin bastante desarrollado que tiene esta arcilla. Este proceso de hidratacin puede ser: *Cristalino u Superficial. *Osmtico. *Hidratacin Cristalina.- Ocurre en la superficie externa de las laminas de arcilla por la adsorcin del agua a travs del in hidrgeno el cual neutraliza la carga negativa excedente que puede tener la arcilla debido a la sustitucin isomrfica que tienen estas arcillas. *Hidratacin Osmtica.- Se produce por una mayor concentracin de iones en la parte basal de la arcilla dando lugar a la entrada de agua para equilibrar la presin osmtica resultante de la diferencia de concentraciones entre la del agua y la parte basal de la arcilla.


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La smosis.- Es un fenmeno fsico relacionado con el comportamiento de un slido como soluto de una solucin ante una membrana semipermeable para el solvente pero no para los solutos.

Esta adsorcin de agua da lugar a un aumento del espacio C de la arcilla que se llama hinchamiento siendo el osmtico de mayor consideracin que el cristalino. El comportamiento del fenmeno depende de los tipos de cationes que intervienen en el proceso o que intervienen en el intercambio cationico. Ms adelante centraremos nuestro anlisis al intercambio de iones entre

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