Laboratorio de Lodos y Cementos

Tema # 1:

Definición, Composición y Funciones de los Fluidos de Perforación.

Fluidos de Perforación

1. Perforación de Pozos.2. Proceso de Perforación.3. Definición de Fluidos de Perforación.4. Composición de Fluidos de Perforación5. Funciones de los Fluidos de Perforación6. Sistema de Circulación de un Pozo.7. Mineralogía de las Arcillas

1. Perforación de Pozos.

La perforación de pozos es un plan de ingeniería para la construcción deun hoyo. Este plan incluye la geometría del pozo, el programa derevestidores, el programa de lodos, todo lo concerniente al control delpozo, la selección de mechas de perforación, información del pozo,estimación de las presiones de poro, y los procedimientos especiales quepueden ser necesitados durante el curso de la perforación del pozo. Sinembargo, los procedimientos de perforación son cuidadosamentedesarrollados.

El pozo es el medio que comunica al yacimiento con la superficie y porello los fluidos son producidos a través de él. Un pozo de petróleo es elhoyo que se perfora a través de la corteza terrestre en una formaordenada y metódica, con un taladro debidamente equipado con elobjeto de alcanzar y producir el yacimiento que contiene petróleo.

El proceso de Perforación consiste en conectar el ensamblaje de fondo (BHA) a lamecha con el propósito de penetrar las diferentes formaciones, aplicando losfactores mecánicos óptimos (peso y rotación) para obtener la mejor tasa depenetración. En el proceso es conveniente analizar las mechas, los criterios deselección, el mecanismo de corte, los factores mecánicos, la evaluación y lalongitud de las barras. La perforación de un pozo contempla varias etapas quedependen de la profundidad y de las presiones existentes en el subsuelo, etc.

Durante la perforación y completación de los pozos en la industria petrolera seutilizan tuberías de revestimiento que cumplen con varias funcionesimportantes, como son: evitar derrumbes durante la perforación, aislarhidráulicamente los fluidos contenidos en las formaciones atravesadas durante elproceso de perforación y minimizar el daño al medio ambiente, al mismo tiempoprotegen al pozo de cualquier efecto indeseable que se pueda presentar por laspresiones existentes en la formación ya que al ser cementado, aísla lacomunicación entre el hoyo y el yacimiento, proporciona una alta resistencia alos canales de flujo del fluido de perforación hasta la superficie y con los impidereventones, permite una perforación más segura.

1. Perforación de Pozos.

2. Proceso de Perforación.

La perforación consiste en la aplicación de unconjunto de técnicas y procesos, con la finalidad deconstruir pozos, sean productores (de petróleo ygas) o inyectores (de agua y vapor).

El objetivo de una perforación es generar el menordaño posible al pozo, dentro del margeneconómico pre-establecido y cumpliendo con lasnormas de seguridad y ambiente. Los pozos seclasifican según su trayectoria enverticales, horizontales, y según su propósito enexploratorio, delineador y productor.

Los equipos de perforación estáncompuestos por cinco sistemaslos cuales son:

- Sistema de Levantamiento- Sistema de Rotación.- Sistema de Circulación- Sistema de Potencia.- Sistema de Seguridad.

2. Proceso de Perforación.

- Sistema de Levantamiento:

Su finalidad es proveer un medio para bajaro levantar sartas de perforación o derevestimiento y otros equipos de subsuelo.Los componentes del sistema delevantamiento se dividen en componentesestructurales y equipos y accesorios.

Dentro de los compontes estructurales seencuentran: Cabria, subestructura, bloquecorona, encuelladero y planchada. Dentro delos equipos y accesorios del sistema delevantamiento tenemos: malacate, bloqueviajero, gancho, elevadores, cable deperforación (guaya), llaves de potencia ycuñas.

2. Proceso de Perforación.

- Sistema de Rotación:

Es el sistema de proporcionar la rotaciónnecesaria a la sarta para que la mechapueda penetrar la corteza terrestre hastalas profundidades donde se encuentranlos yacimientos.

Este sistema lo conforman: Elensamblaje rotatorio que puede serconvencional o top drive, la sarta deperforación y las mechas de perforación.

2. Proceso de Perforación.

- Sistema de Circulación:

Este sistema es el encargado de mover el fluidode perforación en un circuito cerrado decirculación, succionándolo de los tanques activosy enviándolo por medio de las líneas de descargahacia la cabria, y pasando luego a través de lasconexiones superficiales, de la sarta deperforación, de las boquillas de la mecha y delosespacios anulares hasta retornar nuevamente alos tanques activos, pasado por los equiposseparadores de sólidos.

Los componentes del sistema de circulación son:El fluido de perforación, tanques activos, bombasde lodo, conexiones superficiales, sarta deperforación, espacios anulares, línea de retorno yequipos separadores de sólidos.

2. Proceso de Perforación.

- Sistema de Potencia:

La potencia generada por los motoresprimarios debe transmitirse a los equipospara proporcionarle movimiento. Si eltaladro es mecánico, esta potencia setransmite directamente del motor primarioal equipo.

Si el taladro es eléctrico, la potenciamecánica del motor se transforma enpotencia eléctrica con los generadores.Luego, esta potencia eléctrica se transmite amotores eléctricos acoplados a los equipos,logrando su movimiento.

2. Proceso de Perforación.

- Sistema de Seguridad:

Es el sistema diseñado para cerrar elpozo en caso de contingencia y parapermitir el desalojo de arremetidasocurridas durante el proceso deperforación o reacondicionamiento.

Este sistema esta integrado por: Válvulasde seguridad, carreto deperforación, múltiple deestrangulación, unidad acumuladora depresión, tanques de viajes, separadoresde gas y línea de venteo.

2. Proceso de Perforación.

2. Proceso de Perforación.

3. Definición de Fluidos de Perforación

El objetivo de una operación de perforaciónes perforar, evaluar y terminar un pozo queproducirá petróleo y/o gas en formarentable. Los fluidos de perforacióndesempeñan numerosas funciones quecontribuyen al logro de dicho objetivo.

Es una mezcla de un solvente (base) conaditivos ó productos, que cumplenfunciones físico-químicas específicas, deacuerdo a las necesidades operativas deuna formación a perforar.

En el lenguaje de campo, también esllamado Barro o Lodo de Perforación, segúnla terminología más común en el lugar.

4. Composición de Fluidos de Perforación.

La composición del fluido dependerá de las exigencias de cadaoperación de perforación en particular. La perforación debehacerse atravesando diferentes tipos de formación, que a la vez,pueden requerir diferentes tipos de fluidos. Por consiguiente, eslógico que varias mejoras sean necesarias efectuarle al fluido paraenfrentar las distintas condiciones que se encuentran a medidaque la perforación se hace cada vez más profunda en busca depetróleo.

En su gran mayoría los lodos de perforación son de base acuosa,donde la fase continua es el agua. Sin embargo, en términosgenerales, los lodos de perforación se componen de dos fases:Fase líquida, la cual puede ser agua (dulce o salada) o aceite; oFase sólida, está puede estar compuesta por sólidos inertes(deseables o indeseables) o por sólidos reactivos.

5. Funciones de los Fluidos de Perforación.

1. Evacuar los recortes de Perforación.

La remoción de los recortes (limpieza del pozo) depende del tamaño,forma y densidad de los recortes, unidos a la Velocidad de Penetración(ROP); de la rotación de la columna de perforación; y de la viscosidad,densidad y velocidad anular del fluido de perforación.

2. Controlar las Presiones de la Formación.

A medida que la presión de la formación aumenta, se aumenta ladensidad del fluido de perforación para equilibrar las presiones ymantener la estabilidad de las paredes. Esto impide además, que losfluidos de formación fluyan hacia el pozo.

5. Funciones de los Fluidos de Perforación.

3. Suspender y descargar los recortes.

Los recortes de perforación que se sedimentan durante condicionesestáticas pueden causar puentes y rellenos, los cuales, por su parte,pueden producir el atascamiento de la tubería o la pérdida decirculación.

4. Obturar las formaciones permeables.

Los sistemas de fluido de perforación deben estar diseñados paradepositar sobre la formación un delgado revoque de baja permeabilidadcon el fin de limitar la invasión de filtrado. Esto mejora la estabilidad delpozo y evita numerosos problemas de perforación. Si una formación estáfracturada y/o fisurada, deben usarse materiales puenteantes.

5. Funciones de los Fluidos de Perforación.

5. Mantener la estabilidad del pozo.

La estabilidad del pozo constituye un equilibrio complejo de factoresmecánicos (presión y esfuerzo) y químicos. La composición química y laspropiedades del lodo deben combinarse para proporcionar un pozoestable hasta que se pueda introducir y cementar la tubería derevestimiento.

6. Minimizar daños a la formación.

La protección del yacimiento contra daños que podrían perjudicar laproducción es muy importante. Cualquier reducción de la porosidad opermeabilidad natural de una formación productiva es consideradacomo daño a la formación. Estos daños pueden producirse comoresultado de la obturación causada por el lodo o los sólidos deperforación, o de las interacciones químicas (lodo) y mecánicas(conjunto de perforación) con la formación.

5. Funciones de los Fluidos de Perforación.

7. Enfriar, lubricar y alivianar la columna de perforación.La circulación del fluido de perforación enfría la barrena y el conjunto deperforación, alejando el calor de la fuente (fricción) y distribuyéndolo en todo elpozo. La circulación del fluido de perforación enfría la columna de perforaciónhasta temperaturas más bajas que la temperatura de fondo. Además de enfriar,el fluido de perforación lubrica la columna de perforación, reduciendo aún másel calor generado por fricción. A mayor densidad del lodo, menor será el peso dela zarta en el gancho.

8. Transmitir energía hidráulica a herramientas.La energía hidráulica puede ser usada para maximizar la velocidad depenetración y/o alimentar los motores de fondo que hacen girar el trépano y lashtas. de Medición al Perforar (MWD). Los programas de hidráulica se basan en eldimensionamiento correcto de las boquillas del trépano para utilizar la potenciadisponible (presión o energía) de la bomba a fin de maximizar la caída de presiónen el trépano u optimizar la fuerza de impacto del jet sobre el fondo del pozo.Esto se limita por la potencia disponible de la bomba, las pérdidas de presióndentro de la columna de perforación, la presión superficial máxima permisible yel caudal óptimo.

5. Funciones de los Fluidos de Perforación.

9. Asegurar una evaluación adecuada de la formación.La evaluación correcta de la formación es esencial para el éxito de laoperación de perforación, especialmente durante la perforaciónexploratoria.

10. Controlar la corrosión.Los componentes de la sarta de perforación y casings en contacto con elfluido de perforación están propensos a varias formas de corrosión. Losgases disueltos tales como el O2, CO2 y H2S pueden causar gravesproblemas de corrosión, tanto en la superficie como en el fondo delpozo. En general, un pH bajo agrava la corrosión. Por lo tanto, unafunción importante del fluido de perforación es mantener la corrosión aun nivel aceptable. El fluido de perforación además no debería dañar loscomponentes de caucho o elastómeros. Cuando los fluidos de laformación y/o otras condiciones de fondo lo justifican, metales yelastómeros especiales deberían ser usados.

5. Funciones de los Fluidos de Perforación.

11. Facilitar La Cementación y completación.El fluido de perforación debe producir un pozo dentro del cual la tubería de revestimiento puedaser introducida y cementada eficazmente, y que no dificulte las operaciones de completación. Lacementación es crítica para el aislamiento eficaz de la zona y la completación exitosa del pozo.Durante la introducción de la tubería de revestimiento, el lodo debe permanecer fluido yminimizar el suabeo y pistoneo, de manera que no se produzca ninguna pérdida de circulacióninducida.

12. Minimizar el Impacto sobre el Medio AmbienteCon el tiempo, el fluido de perforación se convierte en un desecho y debe ser eliminado de conformidad con los reglamentos ambientales locales. Los fluidos de bajo impacto ambiental que pueden ser eliminados en la cercanía del pozo son los más deseables.La mayoría de los países han establecido reglamentos ambientales locales para los desechos de fluidos de perforación. Los fluidos a base de agua, a base de petróleo, anhidros y sintéticos están sujetos a diferentes consideraciones ambientales y no existe ningún conjunto único de características ambientales que sea aceptable para todas las ubicaciones.Esto se debe principalmente a las condiciones complejas y cambiantes que existen por todo el mundo, la ubicación y densidad de las poblaciones humanas, la situación geográfica local (costa afuera o en tierra), altos o bajos niveles de precipitación, la proximidad del sitio de eliminación respecto a las fuentes de agua superficiales y subterráneas, la fauna y flora local, y otrascondiciones.

6. Sistema de Circulación de un pozo.

La mayor parte del lodo que se utiliza en una operación de perforación se recircula en un ciclo continuo:

El lodo se mezcla y guarda en el tanque de lodo.

Una bomba extrae el

lodo del tanque y lo

envía a través de la

tubería de perforación

directo hacia el pozo.

6. Sistema de Circulación de un pozo.

El lodo emerge a través de latubería de perforación, desdeel fondo del pozo, donde labroca de perforación estáfragmentando la formaciónrocosa.

6. Sistema de Circulación de un pozo.

El lodo sube a través del anular, elespacio existente entre la tubería deperforación y las paredes del pozo.

En la superficie, el lodo viaja a travésde la línea de retorno del lodo, unatubería que conduce a la zarandavibratoria.

6. Sistema de Circulación de un pozo.

Los detritos de las rocasse deslizan por ladeslizadora de detritosque se encarga dedesecharlos.

6. Sistema de Circulación de un pozo.

PROFESOR: ING. BERNY J. MÉNDEZ C. LAB LODOS, ROCAS Y CMTOS

Desde el punto mineralógico, las arcillas son silicatos dealuminio de dos, tres y cuatro capas, el sílice tieneestructura tetraédrica y el aluminio octaédrica, quedesarrollan plasticidad cuando se mojan

7. Mineralogía de las Arcillas

Arcillas de Formación

Las arcillas nativas o de formación son ligeramentehidratables y cuando se incorporan al fluido, contribuyenprincipalmente a la fracción inerte y muy poco a lafracción gelatinizante.

7. Mineralogía de las Arcillas

Arcillas Comerciales:

Existen arcillas que tienen mayor capacidad de hidratacióny dispersión por tener un ligamento más débil, como es elcaso de las arcillas sódicas. Las arcillas cálcicas se hidratan,pero se dispersan ligeramente porque el calcio esbivalente, resultando un ligamento más fuerte que elsodio.

AGUA DULCE

Bentonita sódicaBentonita cálcica

AGUA SALADA

AtapulgitaSepiolita

ACEITE

Organofílica

7. Mineralogía de las Arcillas

Conceptos relacionados con las Arcillas:

• Hidratación

Es el proceso mediante el cual una arcilla absorbe agua,permitiendo el desarrollo del punto cedente, y de laresistencia o fuerza de gel y el desarrollo de la viscosidaddel fluido.

7. Mineralogía de las Arcillas

• Agregación

Condición normal de la arcilla antes de ser hidratada. Laspartículas están agrupadas cara a cara y pueden serseparadas por agitación mecánica y por hidratación ydispersión.

7. Mineralogía de las Arcillas

• Dispersión

Separación de las partículas como consecuencia de laabsorción o entrada de agua. Las caras cargadas de unaforma negativa se atraen con los bordes de las cargaspositivas.

7. Mineralogía de las Arcillas

• Floculación

La floculación es un proceso químico mediante el cual seaglutinan las partículas coloidales presentes en unasustancia, provocando de esta forma su decantación.

Las arcillas floculan con facilidad al contacto con cualquiercontaminante y , en el estado floculado se incrementa laasociación entre las partículas y la consecuencia de esteestado es una elevada viscosidad y un descontrol en lapérdida de agua.

7. Mineralogía de las Arcillas

•Defloculación

Separación de partículas por neutralización de las cargaseléctricas, originada por los lignosulfonatos y lignitos. Laspartículas pueden separarse individualmente o en gruposde dos o tres unidades por caras.

• Inhibición

Prevención de la dispersión

7. Mineralogía de las Arcillas

•Rendimiento

Se define como el númerode barriles de fluido deviscosidad aparentedeterminada, que sepueden preparar con unatonelada de arcilla.

7. Mineralogía de las Arcillas

Clasificación de las Arcillas:

• Montmorillonita

Arcilla de tres capas (Sílice –Aluminio – Sílice). Se usa en lapreparación de los fluidos deperforación de base acuosa. Esun mineral que constituye laBentonita.

7. Mineralogía de las Arcillas

• Kaolinita

Arcilla de dos capas (Sílice –Aluminio). Se usa en la alfareríapara fabricar ladrillos. Seencuentra en lutitas duras y enlutitas "Gomosas". No esdeseable como arcilla parapreparar fluido de perforación.

7. Mineralogía de las Arcillas

• Ilita

Arcilla de tres capas (Sílice –Aluminio – Sílice). Se usa en lapreparación de los fluidos deperforación de base acuosa. Esun mineral que constituye laBentonita.

7. Mineralogía de las Arcillas

• Clorita

Arcilla de cuatro capas (Aluminio– Sílice – Aluminio – Sílice). Seencuentra en lutitas “Gomosas"y en lutitas duras. No es deseablecomo arcilla para prepararfluidos de perforación.

7. Mineralogía de las Arcillas