1 / 78 S355FConvención de Ingeniería FUDESEV Mérida 3-5/11/2010Petróleo y Gerencia de Hidrocarburos

Presentado por

Laboratorio FIRPUNIVERSIDAD de Los ANDESMérida - Venezuela

Jean Louis Salager

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Perforación de un pozo (petróleo/gas) con taladro

Papel del fluido de perforación (lodo)Contenido de los fluidos de perforación … … base agua o base aceite¿Que hacen los ingredientes ?¿Como lo hacen?

Un problema complejo de formulación

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Taladro (derrick)4 / 78 S355F

Barrenas (brocas) para taladrarvarios tipos

Hueco deinyección de

lodo

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Papel de los Fluidos de PerforaciónSe envian al fondo del pozo para enfriarRegresan por el espacio anular lubricandoy arrastrando a los ripios

LODO

Barrena

aceiteagua

ripiosarcilla

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Papel de los Fluidos de Perforación

Enfrían y lubrican la barrenaLubrican los roces (tuberia con paredes)Suspenden los ripios al retornarProducen contra-presiónProducen anti-filtraciónetc …inhibidor de corrosión, bactericida …

formación de “torta” en pared …

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2 casos de lodos de perforación> base agua (W) y base aceite (O)> ambos requieren :

Agua y Aceite (emulsión) Alta Densidad (sólidos suspendidos) Reología adecuada (pseudoplástica) Estabilidad del sistema dispersado

¿Como lograr algo tan complejo?¡ Es un problema de formulación !

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Después veremos los lodos base aceite,diferentes pero no en cuanto al principio.

Son emulsiones aceite en fase acuosa(O/W) con sólidos suspendidos

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Fluidos de Perforación(base agua)

agua (enfría, disuelve y suspende cosas ) arcillas (viscosidad, suspensión) aditivos para aumentar densidad aceite (lubrifica, facilita la perforación) surfactantes (dispersantes, emulsionantes) polímeros (reología, control de filtración) etc ...

contienen :

¡ Veamos como actua cada ingrediente !

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AGUA

suministra la viscosidad “inicial” disuelve aditivos diversos ... ... sales, surfactantes, polímeros etc hidrata arcillas y polímeros suspende sólidos : arcillas, barita, etc. transfiere energía desde la superficie recupere el calor generado

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ARCILLAS

tetraedro SiO u octaedro con Al ó Mg que comparten oxígenos capa plana

O

Si Al ó Mg

O ó OH

tetraedro octaedro

4

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ARCILLAS

estructura de hojuelas, plaquitas ... ... más o menos apiladas.

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ARCILLAS

intercambian iones

montmorilonita Na 100 miliequiv. / 100 gilita 30 milliequiv. / 100 g

orden de intercambio: H desplaza Ca etc...+ ++

H > Ba > Ca > Mg > K > Na > Li++ +++ + + +++

depende de la arcilla

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ARCILLAS

agua interlamelar (expansión del cristal) agua adsorbida sobre la superficie

se “hinchan” por hidratación

Kaolinita casi no se hinchaMontmorilonita de sodio se hincha x 2-3 vecesMontmorilonita de Na/Mg (bentonita) se hincha aún más

partícula mayor

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ARCILLAS eso afecta el contenido ... ... de fase interna de la dispersión y por tanto su viscosidad

contenidode faseinterna

10% arcilla = 30% arcilla hinchada

VISC

OSI

DA

D

real

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ARCILLAS

producen una viscosidad de 100-500 cP producen efecto pseudoplástico mejora suspensión de barita mejora suspensión de ripios

ayuda a reducir filtración mejora propiedades de la torta

(1) bentonita, (2) atapulgita, (3) sepiolita

(1,2,3)

(1)

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AUMENTO de DENSIDAD

Los fluidos de perforación ρ alto

pero no demasiada alta circulación, bombeo manejo de tubos

densidad típica10 lb/gal (1,2 g/cc)a 20 lb/gal (2,5 g/cc)

¡ Requiere una cargade sólidos densos !

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Sales en solución saturada (“workover”)NaCl (10 lb/gal - 1.2 g/cc) CaCl2 (12 lb/gal)

Sólidos insolubles molidosCaliza CaCO3 (ρ = 2,7)Dolomita Ca Mg(CO3)2 (ρ = 2.9)

Barita BaSO4 (ρ = 4,2)

Hematita (ρ = 5,0)

Galena PbS (ρ = 6,8)

AUMENTO de DENSIDAD

lo más usado !Puede llegar a20 lb/gal (2,5 g/cc)

(a veces “oil wet”)(raramente para perforación)

(casos extremos ρ > 22 lb/gal)

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ACEITES

presencia de aceite en un lodobase agua ...

incrementa la velocidad de penetración

¿ porque ?

gasoleos, resíduos, asfaltos ... aceites verdes, terpenos mono o di-ésteres de aceites vegetales

entre 5 y 15 % (10% parece lo mejor)

más

ecológico

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ACEITES

lubrica la barrena (aumenta vida de los conos) reduce el torque (roce tubo - fluido) reduce el roce de los tubos > importante en perfil direccional

gotas de aceite facilitan ... el taponamiento de fisuras

se reduce la mojabilidad al agua ... de esquistas ... y se reduce el hinchamiento

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SURFACTANTESEmulsionantes, Espumantes, Dispersantes

emulsionantes O/W de las gotas de aceite emulsionantes W/O de las gotas de agua espumantes (lodos espumosos) antiespumantes dispersantes de sólidos agente de mojabilidad al agua o al aceite inhibidores de corrosión activadores de polímeros (viscosantes)

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¿ Que es un Surfactante ?

SO3 Na+-

Dodecil benceno sulfonato de sodio

Grupo Lipofílicoo hidrófobo (apolar)

Grupo Hidrofílico(polar)

representación usual

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Principio de la ADSORCIONen una interfase

el surfactante se acomoda para reducir suenergía libre en la interfase

aceite aire

agua agua

agua

sólidoapolar

agua

sólidopolar

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Equilibrio entre varias estructurasde ASOCIACION

MICELA± esférica

micelacilíndricay otras ...cristal líquido lamelar

surfactante en solución

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Estructura Bicapa

Bicapa

Cristal Líquido Lamelar Vesículaesférica

bis (2-etil-hexil) sulfosucinato de sodio(Aerosol OT)

O

O

O

O

SO Na3- +

= MEMBRANA

capa lipofílica

200 Å

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EMULSION = sistema dispersado líquido-líquido razonablemente estable lo que significa 1 hora ? 1 día? 1año?

2 fases no-misciblesllamadas agua y aceite

+ surfactante (emulsionante) localizado en la interfase

fase externa(contínua)

fase interna(discontínua)

27 / 78 S355FRepulsión

entre gotasque se

acercan

Electrostática

Estérica con surfactantes,partículas, o polímeros

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Emulsión múltiple :gotículas en las gotas

Emulsión floculada :Emulsión O/W normal

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AGENTES DISPERSANTESde los sólidos suspendidos

deben separar partículas de arcillas deben evitar floculación de arcillas y barita deben promover plasticidad y tixotropía

Derivados de lignina, LignosulfonatosTaninos (“quebracho”)Polielectrólitos diversos

reducen hinchamiento de arcillas emulsionan aceites ayudan a controlar pérdidas de fluidos

¡ Problemas

ecológicos con

derivados

de cromo !

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“monómero”

3H CO

OCH3

3OCH

3OCH3H C O

CHHCHC=O

O CH CH2

O

CH -OH2CH2

HC CHCH -OH2

HC

HCOH

3OCHOHHC

HC

H COH2

O

3H C O

OHCH COH2

HOCH

OH

HCHC

H C2

O

CH

CH2

CH

O

O3H CO

3OCH

Lignosulfonatos

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- - - - - - - -Cr+++ Cr+++

Lignosulfonato o lignato (aniónico)

arcilla (levemente negativa)

Acción del ion cromo aalta temperatura

Los iones cromo se fijan sobre la arcilla y producensitios positivos, los cuales atraen las moléculas delignosulfonatos (enlance electrostático fuerte)

32 / 78 S355FDiferentes Tipos de Polímeros

lineal

en estrella

copolímeros bloques

copolímeros injertados

tri-bloquetri-bloquedi-bloquedi-bloque

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Algunos Polímeros usadosen fluidos de perforación

Poliacrilato Poliacrilamida

Poliacrilato-acrilamida(Poliacrilamida parcialmente hidrolizada)

SINTETICOS

( CH2 - CH )n

C = OO- Na+

( CH2 - CH )n

C = ONH2

( CH2 - CH )n

C = OO- Na+

( CH2 - CH )m

C = ONH2

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Algunos Polímeros usadosen fluidos de perforación

Poliacrilamidacuaternizada(catiónica)

Poliacrilamidasulfonada (aniónica)

SINTETICOS

( CH2 - CH )n

C = ONH2

( CH2 - CH )m

C = ONH-CH2 +N-CH3

CH3

Cl- CH3

( CH2 - CH )n

C = ONH2

( CH2 - CH )m

C = ONH-(CH2)3-SO3

- Na+

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Algunos Polímeros usadosen fluidos de perforación

Celulosa modificada con grupos hidrofílicos

Hidroxietilcelulosa (HEC) Carboximetilcelulosa (CMC)

NATURALES

MODIFICADOSOHOH

OO OOH O

CH2-OHOO

RHO-CH2

R = -CH2-CH2-OH R = -CH2-COO- Na+

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Algunos Polímeros usadosen fluidos de perforación

Hidroxietilcelulosa Hidrofóbicamente Modificada (HMHEC)

NATURALES

MODIFICADOS

Celulosa modificada con grupos hidrófobos

R = -CH2-CH2-O-C16H33

OHOH

OO OOH O

CH2-OHOO

R CH2-O-CH2-CH2-OH

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Polímeros anfifilos en la interfaselíquido-fluido = surfactante

di-bloque tri-bloque injertado

AGUA

ACEITE

interfase

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Adsorción Interfase Líquido-Sólido cuando aumenta la

concentración delpolímero ...

MONOCAPA(hidrofobación)

BICAPA(hidrofilización)

un poco mucho

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Auto-asociación de polímeros

micela tipo “crisantemo” o “margarita”

polímero tri-bloquecon cadena polar y terminaciones no-polaresen solvente polar:

POP—POE—POP

polarapolar

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Auto-asociación de polímeros

red tridimensional

polarapolar

polímero tri-bloquecon cadena polar y terminaciones no-polaresen solvente polar

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Auto-asociación de polímeros

ambos efectos anteriores (tribloques)

a concentraciónintermedia

“margarita”

“enlace de red”

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Polímeros Hidrofóbicamente Modificados

tendencia “natural” en auto-asociarseal interactuar los grupos hidrófobos

cadenahidrofílica

grupohidrófobo

zonahidrófoba

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Surf. favorece asociacióna mediana concentración

pero la desfavorece a alta concentración

hemimicela

Polímero Hidrofóbicamente Modificado+ Surfactante iónico

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Polímero noiónico + Surfactante iónico

Poli-óxido-de-etileno (PEO) Poli-vinil-pirrolidona (PVP) Poli-vinil-acetato (PVAc) Poli-vinil-alcohol (PVA) Poli-Acrilamida (PAAm) Hidroxi-etil-celulosa (HEC)

Dodecil-sulfato de Na Di-octil-sulfosuccinato de Na Alquil trimetil amonio cloruro

POLIMEROS

SURFACTANTES

grupo polar noiónicocada 2 ó máscarbono de la cadena

grupo polar Iónico(cargado) cola en C12-C14

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Repulsión entre cabezas Espacio entre cabezas. Se meten algunos iones

pero también AGUA ... en contacto con los primeros 2-3 carbonos

¡ DESFAVORABLE !¡ DESFAVORABLE !

En una micela iónica (SDS)

Polímero noiónico + Surfactante iónico

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Asociación “collar de perlas”+ reticulación

100 unidades EOpor micela SDS

PEG

micela SDS

Polímero noiónico + Surfactante iónico

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Polímeros HM +Surfactante que forma bicapa

por ejemplo AOT, diglicéridos cataniónicos CxEOy a alta Temperatura

vesícula desurfactante

agua

agua

Polímero HM

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Ciencia que estudia elmovimiento y la deformación

de la materia cuando estásometida a un esfuerzo

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Viscosidad - definiciónconductividad de cantidad de movimiento

perpendicular al movimiento

placa móvil

placa fijax

y

área A

VFA

Vy

= η

η viscosidad

Ley de Newton

! = " ˙ #

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Características de los fluidos

Fluidos simples (newtonianos) como agua, vino, aceite, glicerina

Otras sustancias “fluyen” pero suviscosidad ya no es una característicasuficiente para diferenciarlos.geles, pinturassuspensiones, emulsionesadhesivos, pasta de dientesalsas ...

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Fluidos viscosos

Esfuerzo τ

Cizallamiento ˙ !

Shear-thickening

Shear-thinning

Newtoniano

Reo-espesanteo dilatante

Reo-fluidizanteo viscoplástico

La viscosidad es la pendiente de la curva del reograma

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Viscosidad η

Cizallamiento ˙ !

Shear-thickening

Shear-thinning

Newtoniano

Reo-espesanteo dilatante

Reo-fluidizanteo viscoplástico

Fluidos viscosos

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En ausencia de movimiento

En movimiento en la dirección

Orientación Extensión Deformación Desagregación

Comportamiento reofluidizantede dispersiones

muy corriente en suspensiones sólidas,soluciones de polímeros y emulsiones

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Floculación - defloculación Floculados reología (pseudo)plástica Floculados pueden desagragarse

Estiramiento y ruptura de los agregadosfloculados reduce la viscosidad

bajo γ alto γcizallamiento

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τ

γ tiempo

η

τ

γ γ

η

Floculación produce unComportamiento reológico complejo

Newtoniano

no-Newtoniano

Tixotrópico

no-Newtoniano

viscoplásticoViscoplásticoo pseudoplástico

Reo-fluidificación

Defloculación completa

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Comportamiento plástico

Yieldstress

modelo Bingham ! " !y !"#! " !y != µ +

"y

˙ #

Comportamientoreal (pseudoplástico)

Esfuerzo umbralaparente

!y

!

˙ !

µEsfuerzoumbral

Esfuerzo de corte umbral, por debajo del cual elmaterial no fluye de forma viscosa, sino que secomporta como un sólido elástico.

Una vez excedido el umbral, el flujo adquierecaracterísticas viscosas; o sea, fluye como un líquido

! = !y + µ "•

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Comportamiento (pseudo)plásticoy tixotrópico

muy fluido a altocizallamiento

limpia boquillas

fluido newtoniano

fluido plástico

¡ mejor limpieza !

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POLIMEROS(para controlar la viscosidad)

polisacáridos, poliacrilamidas fluido (pseudo) plástico

polímeros especialesasociativos termoasociativosmodificados hidrofóbicamente interactuan con surfactantes

TIXOTROPIA

PROBLEMAS : biodegradación y termodegradación

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Polímeros electroasociativosplásticos/tixotrópicos con umbral

poli-(1-octeno-co-ácidoundecenoico)

copolímeroestireno-vinilpiridina

+-

El complejo ... produce alta viscosidad a bajo peso molecular resiste a la degradación se deshace y re-hace (zip) liposoluble a alto PM

C10

COON-H+

-

60 / 78 S355FPolímeros termoasociativos

Temperatura aumenta viscosidad

Aumento de Temperaturacadena afínal agua

injertoshidrófobos

micro zonas de asociación

AGUA

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POLIMEROS(para controlar la filtración)

naturales (xantano, almidón, gomas) semi-naturales (CMC, HEC) sintéticos (poliacrilamida parc. hidrolizada) ... eventualmente + surfactantes

1. recubren partículas de arcilla2. “amarran” las partículas3. “gelifican” el agua

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POLIMEROS(para controlar la filtración)

1. Lignosulfonatos y otros “protectorescoloidales recubren las partículas y“polimerizan” la torta

(por interacciones laterales)

arcilla

polímero y/osurfactante

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POLIMEROS(para controlar la filtración)

2. “Coagulan” las partículas de arcilla con “puentes”

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POLIMEROS(para controlar la filtración)

3. Almidón gelatinizado “gelifica” aguaen la torta

aguainmovilizada

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Ca++

Mg++

CO2

H2S

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Control de electrolitos divalentes

iones calcio (cemento, gipso, agua salada, cal)se remueve por adición de Na2CO3 paraprecipitar el carbonato insoluble CaCO3

Si el medio es demasiado alcalino se usamás bien el bicarbonato NaHCO3

iones magnesio se eliminan precipitandoel hidróxido a pH alcalino (> 10)

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Control de gas carbónico

se eliminan añadiendo cal Ca(OH)2 paraprecipitarlos bajo la forma de carbonato de calcioCaCO3.

Las formaciones pueden contener dióxido de carbonoque produce los iones carbonato y bicarbonato.

Estos iones crean problemas de filtración y gelación

NOTA: se prefiere tener un poco de iones Ca ++

que iones CO3 - - o HCO3 -.

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Control de hidrógeno sulfurado

a pH alcalino (>10) se transforma enbisulfito y en sulfuro de sodio.

el ion disulfuro puede precipitarse comosulfuro de metal pesado (ZnS).

H2S produce ácidos y resulta en fragilización ycorrosión de tuberías de acero. Es tóxico.

NaHS Na2S

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Fluidos de Perforación(base aceite)

contienen : gasoleo, otros aceites (ésteres de acido grasos) agua (emulsión W/O) surfactante hidrófobo arcilla hidrofobada (con aminas) dispersantes y emulsionantes lipofílicos

jabones de Ca++ ó Mg++ otros carboxilatos (nafténico, abiético)

polímeros (control de filtración, reología) control de densidad con barita y carbonato de Ca

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ventajas buena reología a alta temperatura mejor inhibición de corrosión buen lubricante baja densidad (hasta 7 lb/gal)

desventajas costo inicial alto problemas de contaminación difícil de controlar perdidas baja densidad

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Lodos base aceite usados cuando:

temperatura alta (> 150 °C) formación conteniendo H2S, CO2 formación que puede dañarse con base agua control de corrosión pozos de perforación direccional, o con

problemas de torque (requiere lubricación) tubos bloqueados

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Fluido(s) que se ubican entrelodo y cemento =Tren de desplazamientoefectivo

LODO base agua

Lavador base agua(surfactantes) remuevelodo y crea sello

Espaciador(barita, polímeros)moje al agua

Cemento másdenso que el lodo(+ 1 lb/gal) y alcalino

Un espaciador base agua

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LODObase aceite

Lavador baseaceite(surfactantes)

Espaciadorbase agua

Cemento(acuoso)

Espaciadorbase aceite

1 Espaciador base aguadebe cambiar mojabilidad¿ contacto 10 min ?

¿Emulsificación?

2 Crea “sello”

1 solo espaciadorque no cambia lamojabilidad alagua aún si secontamina conlodo aceite¿microemulsión?

Dos espaciadoreso uno combinado

21

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Remediación de daño de formación

Remojo conmicroemulsión

Microemulsiones formuladas “a la carta” = 1 fase

Microwash™Microcure™

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Limpieza de Ripios(cuesta afuera)

Ripios “sucios”Lavado

DesechoRipios limpios

Lodo recuperado

Separador de Ripios

Reformulación y reinyección

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Se puede descargar esta presentación en pdfdesde: http://www.firp.ula.ve

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