quimica de lodos (2)

5/10/2018 Quimica de lodos (2) - slidepdf.com

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ESCUELA DE CAPACITACION PETROLERA

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QUIMICA DE LODOS

1 COMPOSICION Y QUIMICA DE LODOS DE PERFORACION

No existen dos lodos iguales; aún en el caso de que los lodos sean inicialmentemuy semejantes, los efectos diversos de los elementos de la formación y elmanejo que se haga de los lodos en superficie introducirán diferencias.

A pesar de ello, es posible establecer amplias clasificaciones de los lodos.

Es evidente que existe una amplia variedad de lodos. El lodo apropiado para unpozo es aquel que es más económico en la perspectiva total de seguridad, costos

de perforación y, eventualmente, costos de producción. (Un bajo costo inicial dellodo puede a la larga resultar muy costoso si da por resultado problemasposteriores en la perforación o en la producción. Los factores que se handiscutido anteriormente no son de la misma significación en cada pozo. Lascondiciones locales ejercen un impacto importante sobre la elección del lodo máseconómico para cada pozo en particular.

El término “fluido” incluye a los líquidos y los gases. Un fluido de perforación quees fundamentalmente líquido se denomina lodo de perforación o simplemente unlodo. El aire, el gas y la espuma son fluidos neumáticos de perforación. Losfluidos neumáticos de perforación, cuyo uso ha ido creciendo, se emplean en

casos especiales.

La parte líquida de un lodo es, generalmente, agua, petróleo, o una mezcla establede ambos. Una emulsión es una mezcla en la que un líquido está suspendidodentro de otro, en forma de glóbulos muy pequeños. El líquido suspendido (ensuspensión) es la fase interna de la emulsión; el líquido dentro del cual esa faseinterna está suspendida recibe el nombre de fase externa o fase continua. Unlodo de base petróleo se caracteriza porque su parte líquida continua es petróleoo, más frecuentemente, una emulsión de agua-en-petróleo (llamada una emulsióninversa). Si la porción líquida continua es el agua, se trata de una emulsión depetróleo-en-agua y en ese caso el lodo es de base agua.

Los lodos de base agua son los más frecuentemente empleados. Varían desdelos lodos nativos (no tratados), pasando por los ligeramente tratados, hasta losmás intensamente tratados, los lodos inhibitorios de base agua.

Los lodos inhibitorios reducen, o inhiben, la interacción entre el lodo y ciertasformaciones perforadas. Los lodos de base petróleo son de por sí inhibitorios.Los lodos de base agua pueden ser inhibitorios si contienen cationes, o agentesencapsulantes, o ambos, en cantidades suficientes.

El amplio rango de variedades o tipos de lodos dificulta cualquier discusión de




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QUIMICA DE LODOS orden general sobre su composición.

El agua, el petróleo (o ambos) necesarios para formar el volumen de lodo seañaden desde la superficie (los costos de transporte hacen necesario que losfluidos utilizados para este propósito puedan obtenerse en las cercanías del pozo).Una segunda fuente importante de los componentes del lodo son las formacionesperforadas. Pequeñas partículas sólidas derivadas de los recortes dedesprendimientos o de productos de la pared del pozo entran a formar parte dellodo. Cuando se están perforando formaciones porosas a menudo se liberanlíquidos o gases; ellos pueden infiltrarse o aún fluir en el lodo, si esas formacionesson permeables. En las aguas de formación es común encontrar sales ionizadas.Las sales también entran en el lodo cuando se perforan formaciones salinas.

Para modificar las características de los lodos se emplean muchos aditivos. Losagentes densificantes (tales como barita, carbonato de calcio y sales solubles)aumentan la densidad de los lodos, ayudando con ello a controlar las presionessubterráneas y a sostener las paredes del pozo. Las arcillas viscosificantes,polímeros y agentes emulsionantes líquidos hacen que los lodos se espesen y asíaumentan su capacidad para transportar y suspender los recortes y los materialessólidos densificantes. Por otro lado, se pueden utilizar dispersantes para que loslodos se hagan más fluidos, reduciendo de esa manera las presiones de succión,los efectos de pistón y los problemas de presión de circulación. Se empleantambién arcillas, polímeros, almidones, dispersantes y materiales asfálticos parareducir la filtración del lodo a través de la pared del pozo; esto reduce a un mínimo

el daño a las formaciones subterráneas, los problemas de aprisionamientodiferencial y los problemas en la interpretación de perfiles de cable. A veces seañaden sales para proteger ciertas formaciones subterráneas o para reducir lasusceptibilidad del lodo a una contaminación futura, así como para aumentar ladensidad. Otros aditivos de lodo incluyen lubricantes, inhibidores de corrosión,sustancias químicas que ligan a los iones de calcio contaminantes (impidiendosus efectos), floculantes para ayudar en la remoción de recortes al llegar el lodo ala superficie y una vasta variedad de otros materiales.

La soda cáustica se añade a menudo a los lodos para incrementar su pH,mejorando así la función de los dispersantes y minimizando la corrosión. También

pertenecen a la categoría de los aditivos sustancias tales como los preservativos,los bactericidas, los emulsionantes y los ampliadores de temperatura; su funciónprincipal es mejorar el rendimiento o desempeño de otros aditivos.

1.1 FASES DE LOS LODOS

Un lodo es, típicamente, una suspensión de sólidos y, posiblemente también delíquidos o gases, en un líquido. El líquido en el cual todos esos materiales estánsuspendidos es la fase continua del lodo. Las partículas sólidas o los glóbuloslíquidos en él suspendidos constituyen la fase discontinua del lodo. Por ejemplo,el agua es la fase continua y la arcilla es la fase discontinua (interna) en un lo de




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QUIMICA DE LODOS agua y arcilla. En una emulsión inversa el petróleo es la fase continua; losglóbulos de agua son la fase discontinua.

Hay razones para que distingamos esas fases. La razón principal para laviscosidad de un lodo hay que buscarla en la fase discontinua. Un aumento en laconcentración de la fase continua tiende a adelgazar ese lodo. El filtrado provieneen su mayor parte de la fase continua, mientras que el revoque se forma a partir dela fase discontinua.

La fase continua de un lodo es siempre líquida. En cambio, en la fase discontinuase pueden hallar sólidos, líquidos y/o gases.

1.1.1 FASE CONTINUA DE LOS LODOS

La fase continua de un lodo de base agua es agua. Las sales disueltas en el aguason también parte de la fase continua. Los cationes Na

+(sodio) y Ca

++(calcio), y

el anión OH- oxihidrilo son de particular importancia para el comportamiento delos lodos de base agua.

Si la concentración de los iones Na+ o Ca++ es suficientemente alta, ello provocauna inhibición de la hidratación de las arcillas añadidas al lodo. Por otro lado, siesos cationes entran en la fase continua de un lodo en el cual las arcillas ya estánhidratadas, se produce una floculación inmediata, a la que sigue, después dealgún tiempo, una deshidratación de las arcillas. Esto se explica detalladamente al

discutir las arcillas más adelante en este mismo capítulo. Los cationes K+

(potasio) y NH4+

(amonio), cuando se añaden deliberadamente a la fase continuade ciertos lodos, producen resultados similares.

La concentración de iones oxhidrilo presente en un lodo se refleja en la mediciónde la alcalinidad Pf y en el pH. Cuantos más iones oxhidrilo estén presentes,mayores serán la Pf y el pH. Los iones oxhidrilo mejoran la dispersión de lasarcillas, reducen el efecto de muchos contaminantes e inhiben la corrosión.

Algunos ingredientes de los lodos son sólidos en su forma seca, pero se disuelvencuando están en el lodo, para entrar a formar parte de la fase continua. La sal

común en un lodo de base agua constituye un ejemplo. La sal se disuelve porcompleto, y se ioniza en el agua, hasta llegar al punto de saturación. Por arribadel nivel de saturación la sal se mantiene en estado sólido y se dispersa comosólido en la fase discontinua del lodo.

La fase continua de un lodo de base petróleo es el petróleo. El tipo de petróleo esimportante.




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QUIMICA DE LODOS 1.1.2 FASE DISCONTINUA DE LOS LODOS

Los glóbulos de petróleo emulsionados en un lodo de base agua viscosifican ellodo y reducen su densidad. El petróleo del lodo puede originarse en lasformaciones perforadas. Más a menudo, cuando se encuentran cantidadessignificativas de petróleo en un lodo de base agua, se trata de petróleo añadidodeliberadamente para reducir la fricción mecánica, para reducir la filtración através de las paredes, para liberar una tubería aprisionada por presión diferencialo, en casos poco frecuentes, para producir un lodo más liviano que el agua.

El agua emulsionada en un lodo de base petróleo lo hace más viscoso. Laproporción petróleo/agua en un lodo de base petróleo debe ser cuidadosamentecontrolada. La entrada de agua de formación en este tipo de lodo lo hace más

viscoso, y, si es suficientemente abundante, lo desestabiliza.

El aire o el gas que penetran y se distribuyen en un lodo, provocan suespesamiento y una diminución de su densidad. (Debido a la comprensibilidad delos gases, la reducción de la densidad en el pozo no es igual ala que puedeparecer en la superficie). Algo de aire penetra inevitablemente en el lodo comoconsecuencia de las operaciones de superficie (mezcla, conexiones, etc).También las formaciones perforadas pueden liberar gas en el lodo.

Algunos sólidos atraen moléculas de líquido provenientes de la fase continua. Labentonita, por ejemplo, se hidrata en lodos de agua dulce hasta alcanzar un

volumen que es aproximadamente 10 veces el que tenía en estado seco. Esta“agua rígida) entra a formar parte de la fase discontinua y explica, en parte, laeficacia de la bentonita como emulsionante.

FASE SOLIDA DE LOS LODOS

Los sólidos desempeñan un papel tan importante en la condición y mantenimientode un lodo que les asignamos una fase aparte, aun cuando todas las partículassólidas que hay en un lodo pertenecen a su fase discontinua. La inestabilidad deun lodo aumenta a medida que el porcentaje de sólidos (en volumen) se eleva.El tratamiento químico puede incrementar la capacidad de un lodo para tolerar

sólidos, pero sólo hasta cierto punto. Muchos problemas de lodos son causadospor el fracaso en controlar los sólidos en forma adecuada.

Los sólidos que se hidratan o que tienen numerosas cargas eléctricas desuperficie expuestas, se denominan sólidos activos en los lodos de base agua.Otros sólidos, como por ejemplo la barita, son comparativamente inertes. Lamayoría de los sólidos (con la excepción de algunos aditivos especializados delodos de base petróleo) son inertes en lodos de base petróleo. Un lodo cuyo niveltotal de sólidos no es excesivo puede, sin embargo, contener un exceso de sólidosactivos.




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QUIMICA DE LODOS El tamaño de las partículas sólidas en el lodo tiene también importancia. Laspartículas de menos de 2 micrones se clasifican como coloides (un micrón es un

millonésimo de metro; hay aproximadamente 25400 micrones en una pulgada).Su pequeño tamaño hace que sean muy sensibles a sus cargas eléctricas desuperficie, y por lo tanto, las partículas coloidales tienden a parecer como lossólidos más activos. Las partículas cuyo tamaño es superior a 74 micrones sonclasificadas como arena API. La abrasividad de esas partículas da por resultadoel desgaste de las bombas, de las brocas y de las herramientas. El término limose emplea habitualmente para describir las partículas que miden más de 2micrones pero menos de 74.

La velocidad de penetración decrece a medida que aumenta el número departículas sólidas en un lodo. El efecto de los sólidos sobre la estabilidad del lodo

ya se ha mencionado. Por consiguiente, un sólido es deseable solamente en elcaso de que su contribución positiva a las propiedades del lodo sea tan grandecomo para justificar su presencia. Esto significa que el sólido debe serextraordinariamente eficiente en la contribución que hace al proceso. La barita yla bentonita, si se usan en forma apropiada, satisfacen ese criterio. Los sólidos deperforación generalmente no lo satisfacen. Por consiguiente, los sólidos deperforación son indeseables y deben ser eliminados del lodo. La importancia deeste aspecto nunca podrá exagerarse.

1.2 QUIMICA BASICA

La concentración de sólidos en un lodo puede controlarse por el empleo apropiadode equipo para la remoción mecánica de sólidos y mediante la dilución con agua.Sin embargo, la fase acuosa es más compleja y se necesitan controles muchomás complicados para retener los balances iónicos deseables.

El control del balance iónico de la fase acuosa se complica ante todo por el hechode que los ensayos químicos realizados en dicha fase son solamente denaturaleza semi-cuantitativa. Por consiguiente, siempre queda una duda sobrecuan exactos o precisos son los resultados. La mayoría de los ensayos químicosproveen una información suficiente para la interpretación del comportamiento dellodo desde un punto de vista químico. Sin embargo, hay ocasiones en que parece

haber un desequilibrio sin que los ensayos químicos reflejen una indicación sobrela existencia de posibles causas del problema. Esto se observa comúnmente enlos análisis para carbonatos y bicarbonatos, y la causa de la dificultad en losensayos parece residir en el tipo de ambiente alcalino en que se encuentran lassustancias.

Si la alcalinidad de un lodo fuera atribuible sólo a los iones oxhidrilos, sería muchomás fácil relacionar las pruebas químicas con el control de la viscosidad deseable,la pérdida de filtrado, la inhibición, la corrosión y de la solubilidad de losdispersantes orgánicos. Sin embargo, esta situación rara vez ocurre en los lodos.Por lo tanto, la química de los lodos resulta más complicada.




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QUIMICA DE LODOS La base para una comprensión completa de los problemas relacionados con los

lodos depende principalmente de nuestra comprensión de su química. Estaquímica se hace considerablemente compleja debido a la interacción y reacción devarios iones con los sólidos. Así la simple química de la fase acuosa no es capazde darnos una predicción correcta del comportamiento iónico en los sistemas delodo. Para comprender la química del agua, es necesario considerar la estructuraatómica antes de intentar ninguna otra cosa.

El átomo puede ser definido como la menor partícula de un elemento que puedeentrar en combinación química. Los átomos están compuestos de dos unidadesprincipales: el núcleo, que comprende el centro del átomo; y las órbitas deelectrones en las cuales giran estos últimos.

El número del átomo puede todavía subdividirse en dos partes: los patrones,constituidos por partículas cargadas eléctricamente, con carga positiva; y losneutrones que son partículas con carga igual a cero. El núcleo contribuye aformar casi toda la masa del átomo, o sea su peso atómico. Este peso atómicoredondeado al entero más próximo, representa el número de neutrones. Parademostrar como funciona todo esto, examinemos un átomo muy común:

Carbono: Peso atómico = 12Número atómico = 6

Realizado la operación: 12 - 6 = 6 neutrones

Los electrones son las partículas atómicas con carga negativa. El número deelectrones en las órbitas u orbitales será igual al número de protones, o sea alnúmero atómico. Por lo tanto, la carga neta o global de un átomo es cero. Loselectrones están dispuestos en diferentes órbitas ubicadas a diversas distanciasdel núcleo.

Un empleo adecuado de la tabla periódica nos permitirá determinar dos factoresimportantes con respecto a los diversos átomos. Esos dos factores, que pueden

ser muy útiles, son la valencia y la serie de reactividad.

La valencia está determinada por el número de electrones en la capa más externay se encuentra leyendo directamente a través de la tabla. En general, si la últimacapa contiene menos de 4 electrones, ella sirve como prestadora de electrones yse encuentra en la parte izquierda de la tabla periódica. Si la capa externaContiene más de cuatro electrones, recibe electrones en préstamo y su valencia esnegativa. Estos átomos están ubicados en la mitad derecha de la tabla periódica.

Una reacción es un cambio químico en el que los átomos o moléculas exhibenpropiedades químicas diferentes de las que poseían antes que ocurriera la




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QUIMICA DE LODOS reacción. Cuanto menor es el número de electrones que un átomo debe prestar orecibir en préstamo para quedar satisfecho al final de la reacción, mayor es su

actividad química. Por esa razón el hidrógeno, el fluor y el cloro se incluyen entrelos muy reactivos.

La serie de reactividad nos permite determinar cuáles átomos reaccionarán enorden de su tendencia a hacerlo.

1.2.1 QUIMICA DE LAS ARCILLAS

Las arcillas son materiales plásticos, de grano fino, que ocurren naturalmente en elsuelo. Las partículas de arcilla son de naturaleza coloidal. En su estructura, en

forma de plaquetas, se encuentran comúnmente átomos de silicio, de aluminio, demagnesio, de hidrógeno y de oxígeno. La diferente disposición de estos átomosen las moléculas y la presencia de pequeñas cantidades de sodio, calcio u otroscationes explican la amplia variedad de arcillas conocidas. Algunas arcillas, enparticular las montmorilonitas, atraen y retienen moléculas de agua. Estas arcillasse llaman hidrofílicas. Las arcillas que no atraen el agua se llaman hidrofóbicas.

Si bien el tamaño coloidal de sus partículas hace que todas las arcillas seanactivas en lodos de base agua, el grado de actividad varía de una a otra. Porconsiguiente, también varía el efecto viscosificante de diferentes arcillas. Elrendimiento API de las arcillas se define como el número de barriles de lodo de 15

cps que se pueden producir por la adición de una tonelada de arcilla seca a aguadulce (las atapulguitas se evalúan en agua saturada de sal). La viscosidad a quenos estamos refiriendo aquí es la “viscosidad aparente” del lodo, que se obtienentomando la mitad de la lectura a 600 rpm en el Viscosímetro FANN VG. Comomuestra la figura, 15 cps es un valor crítico. Las adiciones de arcilla ejercen pocoefecto sobre la viscosidad hasta que uno se acerca a ese punto; de ahí enadelante, pequeñas adiciones producen marcados efectos sobre la viscosidad.

Las arcillas más activas son las montmorilonitas y las atapulguitas.

MONTMORILONITA: Las montmorilonitas son arcillas hidrofílicas. La

montmorilonita sódica o bentonita es el viscosificador más importante para lodosde base agua dulce, y es probablemente el agente más importante entre los quese emplean para control de pérdida de filtrado.

El API ha establecido ciertos estándares que debe cumplir la bentonita comercialpara su empleo en lodos. Ellos prescriben un rendimiento no inferior a 90 bbl/tonen agua dulce, con una pérdida de filtrado API no mayor que 13,5 cm

3 /30 min y un

punto de cedencia no mayor que tres veces la viscosidad plástica. Además, elmaterial seco no debe contener más del 10% de humedad, y no más del 4% de labentonita debe quedar retenida en un cedazo de malla 2000 en el “análisisgranulometría húmeda”. El propósito de estos estándares es asegurar la pureza,




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QUIMICA DE LODOS finura de grano y manejo adecuado del producto.

La montmorilonita cálcica, a menudo llamada sub-bentonita, se hincha hasta dos ocuatro veces su volumen seco original al ponerla en agua dulce. La sub-bentonitase utiliza a veces para mejorar la distribución de tamaño o partículas en los lodoscon el objeto de reducir la pérdida de filtrado. La bentonita rinde 90 a 100 barrilespor tonelada (en agua dulce), mientras que la sub-betonita rinde solamente 40 a50 bbl/ton.

La montmorilonita está compuesta de láminas planas y delgadas innumerables.Cada una de esas láminas tiene tres capas: una laminilla de alúmina con doslaminillas de sílice dispuestas como un emparedado (sándwich). A menudo, porefecto de los agentes atmosféricos y del tiempo, el silicio en las laminillas externas

ha sido reemplazado por aluminio trivalente, y el aluminio de la laminilla interna hasido reemplazado por un metal bivalente, como el magnesio. Esta sustitución dapor resultado que la lámina o plaqueta global tenga un fuerte desbalance negativo,el que es parcialmente compensado por cationes como el Na

+o el Ca

++que

mantienen flojamente unidas las laminillas entre sí. Estos cationes de ligaduradeterminan el tipo de la montmorilonita. Si embargo, son reemplazables por otroscationes. En particular, los iones sodio de la bentonita pueden ser reemplazadospor iones calcio, lo que la convierte en sub-bentonita, con la consiguientereducción en su habilidad para retener agua.

Además de las cargas mencionadas más arriba, las partículas de montmorilonita

poseen ciertas cargas positivas y negativas en el borde las plaquetas comoconsecuencia del hecho de que las mismas son el producto de la ruptura deláminas más grandes. Se cree que algunos dispersantes actúan porneutralización de uno u otro de esos dos tipos de cargas. Las partículas serepelen entonces entre sí, evitando la formación de enlaces de estructura(agregación) dentro del lodo.

Cuando se coloca montmorilonita seca en agua dulce, algunas de las moléculasde agua se fijan entre las láminas de arcilla, produciendo hidratación. El númerode moléculas de agua que se fija depende de cuan juntas estén las láminas porefecto de los cationes de ligadura (y de la energía de hidratación de los propios

cationes). La bentonita se hidrata tremendamente porque los iones sodio unen laslaminillas de arcilla en forma muy débil, permitiendo que se fije una gran cantidadde agua entre las láminas y entre las laminillas, La montmorilonita cálcica no sehidrata tanto porque los iones calcio unen las láminas entre sí con mucho menorespacio intermedio.

Si se añade montmorilonita seca a agua salada o dura, los cationes presentes enel agua satisfacen el desequilibrio negativo natural de esas arcillas y la hidrataciónes mínima.

La bentonita es un excelente agente reductor de pérdida de filtrado. Las partículas




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QUIMICA DE LODOS hidratadas de bentonita se deforman bastante fácilmente. Las láminas de lapartícula hidratada se superponen entre sí contra la pared del pozo durante la

filtración. El revoque que se produce es resistente, delgado, compresible y muyeficaz para reducir la invasión de filtrado hacia las formaciones. La bentonita essiempre algo útil en reducir la pérdida de filtrado, aún cuando no se hidrate. Esose debe al tamaño coloidal de sus partículas y a su forma de plaquetas planas.Cuando se flocula un lodo de agua dulce, la bentonita no contribuye mucho alcontrol de pérdida de filtrado.

La adición de cationes a lodos de agua dulce que contengan arcillasmontmoriloniticas produce una floculación inmediata, en la cual las partículas dearcilla cargadas negativamente, se floculan por contacto con los cationesintroducidos. Las partículas de arcilla forman flóculos irregulares al agruparse. El

carácter irregular de los flóculos no facilita la deposición de un buen revoque. Conla floculación, se produce un brusco aumento en la viscosidad del lodo. De todosmodos después de cierto tiempo, si hay cationes presentes en cantidadessuficientemente grandes, los mismos se introducen entre las láminas de laspartículas individuales de arcilla; así se produce deshidratación de las arcillas y laviscosidad del lodo disminuye considerablemente.

Un fenómeno algo diferente puede ocurrir a veces, dando lugar a resultadossimilares sobre el cambio inicial de la viscosidad. Los resultados pueden sersimilares, pero se deben a distintos iones y a localizaciones diferentes de lascargas. Estas mismas arcillas que poseen una carga de superficie negativa son

láminas extensas y continuas tal como se encuentran en los depósitos de lanaturaleza. Sin embargo, en un lodo, esas láminas se rompen por cortemecánico, como pasa, por ejemplo, en la trituración. Esta ruptura de las láminasde sílice-alúmina-sílice deja expuestas las valencias de ligadura en los bordes delas plaquetas. Además, el borde de las partículas en los sitios de ligaduracatiónica tendrá la influencia de la carga positiva de los cationes. De esta manera,los bordes de las partículas de arcilla presentan a menudo una capa positiva decargas.

Los aniones tales como CO3, HCO3, SO4, etc. , pueden encontrar entonces sitios

para tratar de equilibrar las cargas. El resultado es una atracción entre las

partículas de arcilla y los aniones en sus bordes. De ahí resulta un aumento deviscosidad, pues se produce una asociación con agua por parte de las partículasagregadas de arcilla.

Esta condición puede observarse a veces en las perforaciones. Es necesarioejecutar un estudio basado en ensayos cuidadosos con el fin de efectuar undiagnóstico correcto, dado que los síntomas son similares a los de la floculacióncatiónica. Sin embargo, a pesar de la similitud y de las dificultades paradiferenciar ambas condiciones, el tratamiento apropiado es completamentediferente.




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QUIMICA DE LODOS ATAPULGUITA

La atapulguita es una arcilla con estructura catenaria, formada por un alumino-silicato de magnesio hidratado cuya aplicación principal en lodos ha sido la deviscosificante para lodos que contienen demasiada sal para que la bentonita sepueda hidratar en forma apropiada. Es un excelente viscosificante pero, adiferencia de la bentonita, no contribuye al control de filtrado. Una buenaatapulguita rinde unos 150 bbl/ton.

Físicamente, la atapulguita tiene una estructura similar a bastoncillos en vez de laestructura plana, en forma de plaquetas, de la montmorilonita. Bajo una presión decorte, los bastoncillos tienden a partirse longitudinalmente. Las “agujas” que

resultan están cargadas eléctricamente y se acumulan de una manera típica,extremo a extremo, creando un aspecto entrelazado, en montones de agujasfibrilares. Las buenas características de la atapulguita como viscosificante y supobreza en el control de filtrado se deben precisamente a ese agrupamiento o“floculación como espigas en un pajar”. Se requiere una considerable acción decorte para hacer astillas a los bastoncillos de atapulguita. Las principales fuentesde esa acción de corte son el embudo, las pistolas de lodo y las boquillas de labroca.

La atapulguita no capta agua intersticial como lo hace la bentonita. Porconsiguiente, no se hidrata de la misma manera y los polielectrolitos (así como los

dispersantes) no tienen el mismo efecto que en los sistemas con bentonita.

Las especificaciones del API requieren que la atapulguita rinda por lo menos 100bbl/ton en agua saturada de sal. La humedad no debe exceder del 16% y nodebe quedar retenido más de 8% en un análisis de granulometría húmedarealizada con un cedazo de malla 200.

La sepiolita, un pariente de la atapulguita dentro de la familia de las arcillas, se haempleado en algunos pozos. Se comporta más o menos lo mismo que laatapulguita, pero tiene ventajas especiales a temperaturas muy altas.

1.2.2 AGENTES DENSIFICANTES

El agente densificante de lodos de mayor importancia es la barita. Una alternativapara la barita (u otro material densificante sólido insoluble) es en algunos casos elempleo de sales solubles. La saturación con cloruro de sodio (sal común)aumenta la densidad del agua a 10.0 ppg; si la saturación es con cloruro de calciola densidad lograda será de 11,8 ppg. Pueden alcanzarse densidades de 16,0ppg con cloruro de zinc o con bromuro de calcio, pero esos materiales son muycaros para su utilización en lodos. La ventaja de las sales solubles como agentesdensificantes es que los aumentos de densidad se logran sin aumentar el




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QUIMICA DE LODOS contenido de sólidos del lodo. Sin embargo, debe tenerse en cuenta el efecto delas adiciones de sales sobre otras propiedades. A veces la densidad deseada se

consigue mediante una combinación de sales y otros agentes densificantes.

BARITA. La barita, un mineral de sulfato de bario (BaSO4) que se encuentra en la

naturaleza como tal, es el agente densificante que se emplea más comúnmentepara lodos. Su peso específico de 4,2 a 4,3 lo hace mucho más denso que lamayoría de los sólidos de perforación. (Los sólidos de perforación tienengeneralmente un peso específico cercano a 2,6). Tiene además la ventaja de serinerte y no abrasivo. La densidad de los lodos puede ser aumentada hasta 20 ppgo más con barita.

El mineral de barita se tritura y se muele para su uso en lodos. El tamaño de

partícula es importante. Las partículas grandes requieren un lodo espeso paraquedar en suspensión y, además, serán removidas en la zaranda vibratoria. Porotra parte, las partículas muy finas son también indeseables porque determinan laformación de una gran superficie total de sólidos, la que queda expuesta a la faselíquida, lo que a su vez puede causar viscosidad y resistencia de gel excesivas.

Las especificaciones del API para la barita requieren un peso específico no inferiora 4,20. Los metales alcalino-térreos solubles no deben exceder de 250 ppm en laprueba de dureza total. Al menos 5% debe quedar retenida en un cedazo demalla 325 y no más del 3% debe quedar retenida en el cedazo de malla 200 en elensayo de granulometría húmeda.

GALENA

En casos raros se necesitan densidades superiores a las que se pueden obtenercon barita. La galena, que es un sulfuro de plomo nativo, tiene un peso específicode 6,5 a 6,7. Su empleo reduce el volumen total de sólidos requeridos en lodosdensos y permite la obtención de lodos con densidades hasta 35 ppg. Lamagnetita, un óxido de hierro con un peso específico de 5,1 es otro sólido de altadensidad que se utiliza a veces cuando se necesitan densidadesexcepcionalmente altas en el lodo.

CARBONATO DE CALCIO

Las partículas sólidas en un lodo pueden reducir la permeabilidad de las zonasproductivas por alojarse dentro de ellas. Esto afecta adversamente la eventualproducción del pozo. El carbonato de calcio (CaCO3) es un sólido inactivo

cuando están en un lodo, pero se disuelve en ácidos. Las partículas de carbonatode calcio alojadas en los poros de las zonas productivas pueden ser removidaspor medio de tratamiento con ácido, para lograr una mejor producción. Otracaracterística deseable del carbonato de calcio es que el revoque formado por élse remueve bastante fácilmente de la superficie de las formaciones productivas en




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QUIMICA DE LODOS el momento de iniciarse el flujo desde las formaciones.

La aplicación principal del carbonato de calcio en los lodos es como agentedensificante; sin embargo, su eficacia es limitada debido a su baja densidad. Elpeso específico del carbonato de calcio es 2,7. El carbonato de hierro, con unpeso específico de 3,8, es más pesado que el carbonato de calcio y tienepropiedades similares; sin embargo se emplea raramente por su elevado costo.

1.2.3 POLIMEROS

Técnicamente, un polímero es una sustancia que consiste en dos o más unidadesquímicas (los llamados monómeros) de los mismos elementos en la mismaproporción. El compuesto debe poderse distinguir de un monómero por un peso

molecular más elevado y por sus diferentes propiedades físicas. De acuerdo conesta definición, el término “polímero” cubre una amplia gama de sustancias,algunas de las cuales ocurren en la naturaleza y otras se producen sintéticamente.

En relación con los lodos, la palabra “polímero” se acepta como el término dereferencia para cierta clase de compuestos orgánicos que, en cantidadesrelativamente pequeñas, imparten aumentos significativos de viscosidad o proveencontrol de pérdida de filtrado (a menudo ambas cosas). En algunos casos se hanempleado también para encapsular los sólidos de perforación (inhibiendo de esamanera la hidratación de los mismos) o para flocular sólidos de muy pequeñotamaño de partícula en la línea de descarga (esperando así poder remover los

flóculos que se forman). Algunos de esos productos son parcialmente solubles;sin embargo desde el punto de vista de un tratamiento de lodo, parecería que lomejor fuera considerar a los polímeros como parte de la fase sólida del lodo.

1.2.4 ADITIVOS SOLIDOS MISCELANEOS

FIBRAS DE AMIANTO (ASBESTO). Las fibras de amianto o asbesto seadicionan algunas veces a los lodos para aumentar su capacidad para arrastrarlos recortes hasta la superficie. Son eficaces en combinación con arcillas u otrosviscosificantes, o cuando se emplean separadamente. Cuando se someten afuerzas de corte, las fibras quedan suspendidas en el lodo en forma de cepillo

irregular, de una manera similar a la de la atapulguita. Sin embargo, en el caso delas fibras de amianto, el haz de fibras es el resultado del entrelazamiento físico delas fibras, mientras que en la atapulguita se debe a atracción eléctrica entre lasagujas con carga eléctrica. Al cabo de un tiempo, las fibras de amianto sedescargan y se hacen menos efectivas. Debe tenerse especial cuidado en elmanejo del amianto para evitar la inhalación de las fibras.

1.2.5 MATERIAL DE PÉRDIDA DE CIRCULACION

Muchos materiales se han empleado para corregir o prevenir la pérdida de lodocomo tal hacia las formaciones perforadas. Dichos materiales son generalmente




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QUIMICA DE LODOS sólidos inertes con tamaños de partícula suficientemente grandes como para servirde ayuda en el relleno (sello) de fracturas en las formaciones. Los tamaños de

partícula varían, pero están por encima de 70 micrones.

1.3 INTERACCIONES QUIMICAS

La introducción de sustancias químicas agregadas a un lodo puede afectarconsiderablemente las propiedades del mismo. Algunas de esas sustanciasquímicas se adicionan en la superficie. Otras penetran en el lodo a partir de lasformaciones perforadas. Se considerarán aquí las más comunes de esassustancias. La discusión en lo que resta de este capítulo se referirá a los lodos debase de agua. Los iones Na+ (sodio), Ca++ (calcio), OH+ (oxhidrilo), CO3

=

(carbonato) y HCO3- (bicarbonato) son particularmente importantes en la química

de los lodos de base agua. Otros iones, tales como CL-, SO4=, SO3=, PO4= y S=,pueden también jugar un papel importante. Para contrarrestar los efectos nocivosde esos iones de emplean dispersantes químicos. La mayoría de los dispersantestienen un bajo pH y una baja Pf. Frecuentemente, cuando se empleandispersantes se añade soda cáustica, con el objeto de mantener el pH.

FOSFATOS: Los fosfatos complejos son el tetrafosfato de sodio (comúnmentellamado STP) y el pirofosfato ácido de sodio (SAPP). Actúan como reductoresaltamente eficientes de la viscosidad siempre que las temperaturas del lodopermanezcan por debajo de 180 °F (82°C). A temperaturas por encima de 180°F,dichos fosfatos se convierten en ortofosfatos, que ejercen un efecto floculante, de

modo que el lodo se espesa en vez de hacerse más fluido.

Un efecto independiente de la adición de estos fosfatos al lodo es el secuestro deiones calcio. La temperatura no es un factor en la capacidad de los fosfatos pararemover los iones calcio.

SAL COMUN: La sal común (NaCl) puede penetrar en el lodo a partir de diversas

fuentes. Se ioniza dando Na+

y Cl-

en la fase continua (a menos que hayasobrepasado el punto de saturación). El nivel de sal en el lodo se mide por mediodel ensayo de cloruros. Sin embargo, el ion sodio es el que ejerce un mayorimpacto sobre el lodo. Un gran número de iones sodio son liberados en el lodo

cuando se perfora sal, cuando fluye agua salada dentro del pozo o cuando seañade sal desde la superficie. Los iones cloro se consideran desde el punto devista de sus efectos, pero desde el punto de vista del tratamiento de lodo, el ionsodio es de la máxima importancia.

La sal constituye un serio contaminante en los lodos de agua dulce. Las partículasde arcilla, negativamente cargadas, se agrupan alrededor de los iones sodioproduciendo aumentos marcados en las viscosidades, en las resistencias de gel yen las pérdidas de filtrado. La gravedad de este efecto disminuye si el nivel desólidos es bajo, si se ha inhibido la hidratación de las arcillas, si hay dispersantesactivos en el lodo o si el aumento de sal es gradual. El tratamiento de la




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QUIMICA DE LODOS contaminación con sal consiste en la adición de agua, de soda cáustica ydispersantes. Los dispersantes de tipo lignosulfonato son particularmente eficaces

para combatir la contaminación con sal. El tiempo es también un factor. Elimpacto inicial producido por la contaminación con sal, termina por hacerse menosintenso a medida que los iones sodio se retiran de los bordes entre las láminas delas partículas de arcilla. Las viscosidades entonces decrecen, y puede producirsedeshidratación de las arcillas. La sal disminuye el pH de los lodos. Los ionessodio desplazan a los iones hidrógeno en la estructura de las arcillas. El aumentoen la concentración de iones hidrógeno es una consecuencia, y eso determinadirectamente una disminución del pH.

ANHIDRITA Y YESO: La anhidrita (CaSO4) se presenta en filamentos delgados oen secciones masivas en muchos lugares de la tierra. Cuando se perforan esas

formaciones, la anhidrita se ioniza en iones Ca++ y SO4= en la fase continua dellodo. El incremento en iones calcio se pone en evidencia en el ensayo de calcio(dureza total del filtrado).

El efecto de perforar formaciones con anhidrita sobre lodos de agua dulce essimilar al que se produce al perforar secciones con sal, excepto que un númerorelativamente pequeño de iones calcio puede causar tanto daño como un ingresomucho mayor de iones sodio. Aquí también se reduce el daño si el nivel desólidos en el lodo es bajo o si la hidratación de las arcillas ha sido inhibida. De lamisma forma que en la contaminación con sal, las adiciones de agua, de sodacáustica y de dispersantes ayudan para que las propiedades del lodo se

recuperen. Se puede también adoptar otro enfoque; el lodo puede ser tratado consustancias químicas que reaccionan con los iones calcio y que los remueven de lafase continua.

La remoción de iones calcio de la fase continua de un lodo de base agua es amenudo deseable. Además de su impacto inicial, los iones calcio dificultan elcontrol de la pérdida de filtrado y, a altas temperaturas, pueden causar unagelificación excesiva. El carbonato de sodio y el bicarbonato de sodio precipitanlos iones calcio, eliminándolos de la fase continua. Los fosfatos complejos, STP(tetrafosfato de sodio) y SAPP (pirofosfato ácido de sodio) secuestran los ionescalcio, haciendo que no actúen como tales. Un tratamiento en exceso con

cualquiera de esas sustancias puede ser nocivo para las propiedades del lodo, ypor lo tanto, debe evitarse.

Cuando se conoce la ubicación de las vetas de anhidrita, el tratamiento del lodocon soda cáustica, bicarbonato de sodio o alguno de los fosfatos, en pequeñascantidades, antes de perforar, reduce el impacto de la anhidrita. Esto se debe aque los iones calcio contaminantes son removidos de la fase continua a medidaque entran en ella.

Cuando ya están presentes en el lodo grandes concentraciones de iones calcio ocuando secciones masivas de anhidrita tienen que ser perforadas, la remoción de




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QUIMICA DE LODOS iones calcio será ineficaz, y posiblemente indeseable. El uso de un lodo inhibitoriocapaz de tolerar el calcio es habitualmente lo mejor en este caso. El pH del lodo

disminuye cuando se perfora anhidrita. Esto se debe en parte a que los ionescalcio desplazan los iones hidrógeno en la estructura de las arcillas. A valores dePf superiores a 1,0 los iones calcio de la anhidrita se combinan con los ionesoxhidrilo para formar cal. Esta reacción baja rápidamente la Pf.

El yeso (CaSO4 – 2H2O) es químicamente idéntico a la anhidrita, excepto por el

agua de cristalización presente en él. Afecta al lodo de la misma manera que laanhidrita. A veces hay que perforar yeso, especialmente a poca profundidad. Encasos especiales se añade yeso al lodo desde la superficie.

CEMENTO: El cemento se introduce en el pozo cuando se instala el

revestimiento. Ocasionalmente se emplea también para corregir serios problemasdel pozo. En esos casos, cuando el cemento es perforado, iones calcio y oxhidrilopenetran en la fase continua del lodo. El aumento de la concentración de esosiones se pone en evidencia en los ensayos de calcio, Pf y pH. Si el cemento estáfresco cuando entra en contacto con el lodo, se liberarán más iones que si hubierafraguado totalmente.

El efecto del cemento sobre el lodo es similar al efecto de la anhidrita. Ladiferencia principal es que al perforar cemento el pH se eleva, mientras que alperforar anhidrita el pH baja. El tratamiento para la contaminación con cemento esel mismo que el de la contaminación con anhidrita, salvo que, en el caso del

cemento, no se suele añadir soda cáustica (dado que los iones oxhidrilo sonsuministrados por el mismo cemento). El hecho de que habrá que perforarcemento es conocido de antemano. El pretratamiento, o tratamiento preventivo enanticipación de la contaminación, reduce sus efectos.

La tendencia del cemento a liberar iones Ca++

en el lodo es suprimida si hay unaalta concentración de iones OH

-. En este caso el cemento ejerce un efecto menor.

(Sin embargo, si la concentración de iones OH-cae posteriormente, los iones Ca

++

comenzarán a penetrar en el lodo).

CARBONATO DE SODIO: El carbonato de sodio (Na2CO3) se añade a los lodoscon el propósito de remover los iones calcio. Cuando el carbonato de sodio

penetra en el lodo, se ioniza en Na+

y CO3=

en la fase continua. Los ionescarbonato se combinan con los iones calcio, formando carbonato de calcio(CaCO3), que es un precipitado inerte. Un tratamiento excesivo con carbonato desodio, deja libre un exceso de iones carbonato, los que pueden causar altaviscosidad y resistencia de gel. Un aumento en la concentración de ionescarbonato en el lodo se refleja en un incremento de la diferencia entre Mf y Pf.

Si el lodo tiene un pH inferior a 11, las adiciones de carbonato de sodioprovocarán un aumento del mismo. Esto ofrece un contraste con otros




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QUIMICA DE LODOS tratamientos de la contaminación con calcio, los que generalmente disminuyen elpH del lodo.

BICARBONATO DE SODIO. El bicarbonato de sodio (NaHCO3) es unaalternativa para el carbonato de sodio en la remoción de iones calcio. Cuando seañade a un lodo, para de formar parte de la fase continua y se ioniza en los iones

Na+ y HC03-. Si están presentes iones oxhidrilo, el hidrógeno y el carbonato se

disocian en sus respectivos iones. El H+ y el OH- se combinan para formar agua.

Esta reacción baja el pH y el Pf del lodo. El CO3=

se combina con Ca++

(en casode estar éste presente) para formar carbonato de calcio (CaCO3) un precipitadoinerte.

Si la cantidad de iones oxhidrilo en el lodo es insuficiente, la adición de

bicarbonato de sodio no remueve los iones calcio. En cambio, el hidrógeno y elcarbonato permanecen unidos como iones bicarbonato. Los iones bicarbonato enla fase continua pueden ser considerablemente nocivos para la estabilidad dellodo. Aun en los casos en que haya un adecuado suministro de iones oxhidrilo,debe evitarse un tratamiento excesivo con bicarbonato de sodio, con el propósitode impedir un aumento de los iones bicarbonato y carbonato. El grado dediferencia entra Mf y Pf es una indicación de la concentración de iones bicarbonatoy carbonato en la fase continua. Un aumento de dichos iones aumenta la brechaentre ambas determinaciones.

CAL: La cal (Ca (OH)2) ejerce el mismo efecto que el cemento cuando se añade

a un lodo. En los lodos que tienen una alta concentración de iones oxhidrilo, la cal sirve como una fuente potencial de iones Ca

++y OH

-. En otros lodos es una

fuente directa de dichos iones.

En un lodo no pueden existir simultáneamente los iones Ca++ y CO3= en forma

libre. De coexistir, se combinan para formar carbonato de calcio (CaCO3). De unmodo similar, tampoco pueden coexistir los iones Ca++ , OH- y HCCO3

- en un lodo.

Por consiguiente, a veces se añaden pequeñas cantidades de cal a un lodocuando se sospecha la existencia de problemas de carbonato o bicarbonato, perono sin antes efectuar ensayos piloto para verificar el efecto real del tratamiento

propuesto sobre las propiedades del lodo.

GASES SOLUBLES: Los gases presentes en las formaciones perforadas afectan laspropiedades del lodo, en caso de penetrar en él. Si los gases se disuelven enla fase continua, los efectos químicos pueden también ser de importancia. Elácido sulfhídrico o sulfuro de hidrógeno (H2S) y el anhídrido carbónico o dióxidode carbono (C02), en particular, pueden disminuir marcadamente el pH del lodo. El dióxido de carbono puede también aumentar el número de iones carbonato ybicarbonato.

quimica de lodos (2)

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