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Convención de Ingeniería FUDESEV
Mérida 3-5/11/2010
S355F
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S355F
Petróleo y Gerencia de Hidrocarburos
Perforación de un pozo (petróleo/gas) con taladro
Presentado por
Papel del fluido de perforación (lodo)
Contenido de los fluidos de perforación …
… base agua o base aceite
¿Que hacen los ingredientes ?
¿Como lo hacen?
Jean Louis Salager
Un problema complejo de formulación
Laboratorio FIRP
UNIVERSIDAD de Los ANDES
Mérida - Venezuela
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S355F
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Barrenas (brocas) para taladrar
varios tipos
Taladro (derrick)
S355F
Hueco de
inyección de
lodo
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S355F
Papel de los Fluidos de Perforación
Se envian al fondo del pozo para enfriar
Regresan por el espacio anular lubricando
y arrastrando a los ripios
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S355F
Papel de los Fluidos de Perforación
Enfrían y lubrican la barrena
Lubrican los roces (tuberia con paredes)
Suspenden los ripios al retornar
Producen contra-presión
LODO
Producen anti-filtración
aceite
agua
ripios
arcilla
Barrena
etc …
inhibidor de corrosión, bactericida …
formación de “torta” en pared …
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S355F
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S355F
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
Son emulsiones aceite en fase acuosa
(O/W) con sólidos suspendidos
¿Como lograr algo tan complejo?
Después veremos los lodos base aceite,
diferentes pero no en cuanto al principio.
¡ Es un problema de formulación !
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S355F
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S355F
Fluidos de Perforación
AGUA
(base agua)
contienen :







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 ...

suministra la viscosidad “inicial”

disuelve aditivos diversos ...

hidrata arcillas y polímeros

suspende sólidos : arcillas, barita, etc.

transfiere energía desde la superficie

recupere el calor generado
... sales, surfactantes, polímeros etc
¡ Veamos como actua cada ingrediente !
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S355F
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S355F
ARCILLAS


ARCILLAS
tetraedro SiO 4 u octaedro con Al ó Mg
que comparten oxígenos
capa plana
Si
Al ó Mg
O
O ó OH
tetraedro
octaedro

estructura de hojuelas, plaquitas ...
... más o menos apiladas.
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S355F
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S355F
ARCILLAS
ARCILLAS
se “hinchan” por hidratación

intercambian iones

montmorilonita Na 100 miliequiv. / 100 g
ilita 30 milliequiv. / 100 g

agua interlamelar (expansión del cristal)
agua adsorbida sobre la superficie
+
++
orden de intercambio: H desplaza Ca etc...
++
+
H + > Ba++ > Ca ++ > Mg > K + > Na + > Li
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S355F


partícula mayor
Kaolinita casi no se hincha
Montmorilonita de sodio se hincha x 2-3 veces
Montmorilonita de Na/Mg (bentonita) se hincha aún más
depende de la arcilla
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S355F
ARCILLAS
ARCILLAS
eso afecta el contenido ...
... de fase interna de la dispersión
y por tanto su viscosidad
(1) bentonita, (2) atapulgita, (3) sepiolita
VISCOSIDAD

(1,2,3)

real

contenido
de fase
interna
10% arcilla
(1)
S355F
ρ alto
 manejo de tubos
densidad típica
10 lb/gal (1,2 g/cc)
a 20 lb/gal (2,5 g/cc)
ayuda a reducir filtración
mejora propiedades de la torta
S355F
AUMENTO de DENSIDAD

Sales en solución saturada (“workover”)
NaCl (10 lb/gal - 1.2 g/cc) CaCl2 (12 lb/gal)

Sólidos insolubles molidos
Caliza CaCO3 (ρ = 2,7) (raramente para perforación)
Dolomita Ca Mg(CO3)2 (ρ = 2.9) (a veces “oil wet”)
pero no demasiada alta
 circulación, bombeo
producen una viscosidad de 100-500 cP
producen efecto pseudoplástico
mejora suspensión de barita
mejora suspensión de ripios
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AUMENTO de DENSIDAD
Los fluidos de perforación


= 30% arcilla hinchada
17 / 78


Barita BaSO4 (ρ = 4,2)
Hematita (ρ = 5,0)
¡ Requiere una carga
de sólidos densos !
lo más usado !
Puede llegar a
20 lb/gal (2,5 g/cc)
Galena PbS (ρ = 6,8) (casos extremos ρ > 22 lb/gal)
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ACEITES
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ACEITES
s
má gico
ló
o
ec
gasoleos, resíduos, asfaltos ...
aceites verdes, terpenos
mono o di-ésteres de aceites vegetales



S355F
lubrica la barrena (aumenta vida de los conos)
reduce el torque (roce tubo - fluido)
 reduce el roce de los tubos


> importante en perfil direccional
entre 5 y 15 % (10% parece lo mejor)
presencia de aceite en un lodo
base agua ...
incrementa la velocidad
de penetración


gotas de aceite facilitan
... el taponamiento de fisuras

se reduce la mojabilidad al agua
... de esquistas
... y se reduce el hinchamiento
¿ porque ?
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S355F
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SURFACTANTES
S355F
¿ Que es un Surfactante ?
Emulsionantes, Espumantes, Dispersantes
Dodecil benceno sulfonato de sodio








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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Principio de la ADSORCION
en una interfase

SO3- Na
Grupo Lipofílico
o hidrófobo (apolar)
aire
agua
Grupo Hidrofílico
(polar)
representación usual
S355F
el surfactante se acomoda para reducir su
energía libre en la interfase
aceite
+
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S355F
Equilibrio entre varias estructuras
de ASOCIACION
surfactante en solución
MICELA
± esférica
agua
micela
cilíndrica
agua
agua
sólido
polar
sólido
apolar
cristal líquido lamelar
y otras ...
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S355F
Estructura Bicapa
bis (2-etil-hexil) sulfosucinato de sodio
(Aerosol OT)
fase interna
(discontínua)
O
-
+
SO 3 Na
O
S355F
EMULSION = sistema dispersado líquido-líquido
razonablemente estable
lo que significa  1 hora ? 1 día? 1año?
capa lipofílica
O
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2 fases no-miscibles
llamadas agua y aceite
O
200 Å
+ surfactante (emulsionante)
Bicapa
localizado en la
interfase
= MEMBRANA
Cristal Líquido Lamelar
fase externa
(contínua)
Vesícula
esférica
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S355F
Repulsión
entre gotas
que se
acercan
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S355F
Emulsión floculada :
Emulsión O/W normal
Electrostática
Estérica con surfactantes,
partículas, o polímeros
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S355F
AGENTES DISPERSANTES
Emulsión múltiple :
gotículas en las gotas
Lignosulfonatos
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de los sólidos suspendidos



H 2 COH
deben separar partículas de arcillas
deben evitar floculación de arcillas y barita
deben promover plasticidad y tixotropía
Derivados de lignina,
Taninos (“quebracho”)
Polielectrólitos diversos
Lignosulfonatos
as on

reducen hinchamiento de arcillas
em
obl icos c
r
P
emulsionan aceites
¡
g os ! 
ó
l
eco erivadromo  ayudan a controlar pérdidas de fluidos
d ec
d
HC
CH 2 -OH
CH2
HC
HC=O
HC
CH
HC
O
HOCH
O CH2
H3 C O
OCH 3
OH
H 2 COH
O
CH
HCOH
HC
HC
S355F
CH 2 -OH
CH
O
H 3CO
H3 CO
OCH 3
OH
“monómero”
OCH 3
O
CH
CH
HC
H 2C
H3 C O
O CH 3
OCH 3
O
HC
CH2
O
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S355F
Acción del ion cromo a
alta temperatura
32 / 78

lineal

en estrella

copolímeros bloques
Lignosulfonato o lignato (aniónico)
+++
+++
- Cr - -
- - - - Cr -
Diferentes Tipos de Polímeros
arcilla (levemente negativa)
tri-bloque
di-bloque
Los iones cromo se fijan sobre la arcilla y producen
sitios positivos, los cuales atraen las moléculas de
lignosulfonatos (enlance electrostático fuerte)
S355F
( CH2 - CH )n
C=O
C=O
O- Na+
NH2
Poliacrilato
Poliacrilamida
cuaternizada
(catiónica)
( CH2 - CH )n ( CH2 - CH )m
S
ICO
TET
SIN
C=O
O- Na+
Poliacrilato-acrilamida
(Poliacrilamida parcialmente hidrolizada)
NH2
S355F
Algunos Polímeros usados
en fluidos de perforación
Celulosa modificada con grupos hidrofílicos
CH2-OH
O
OH
O
Hidroxietilcelulosa (HEC)
O
R = -CH2-CH2-OH
R
OH
OH
O
O
HO-CH2
C=O
C=O
NH2
NH-CH2
O
CH3
+ N-CH
3
Cl- CH3
Poliacrilamida
sulfonada (aniónica)
( CH2 - CH )n ( CH2 - CH )m
C=O
35 / 78
S
ALE OS
D
TUR
NA IFICA
D
MO
( CH2 - CH )n ( CH2 - CH )m
S
ICO
TET
N
I
S
Poliacrilamida
S355F
Algunos Polímeros usados
en fluidos de perforación
C=O
C=O
NH2
NH-(CH2)3 -SO3- Na+
36 / 78
Algunos Polímeros usados
en fluidos de perforación
S355F
Celulosa modificada con grupos hidrófobos
S
ALE OS
D
TUR
NA IFICA
D
MO
CH2-OH
OH
O
( CH2 - CH )n
34 / 78
O
Algunos Polímeros usados
en fluidos de perforación
copolímeros
injertados
O
33 / 78

S355F
R
OH
O
OH
O
O
CH2-O-CH2-CH2-OH
R = -CH2-COO- Na+
R = -CH2-CH2-O-C16H33
Carboximetilcelulosa (CMC)
Hidroxietilcelulosa Hidrofóbicamente Modificada (HMHEC)
37 / 78
S355F
tri-bloque
S355F
Adsorción Interfase Líquido-Sólido
Polímeros anfifilos en la interfase
líquido-fluido = surfactante
di-bloque
38 / 78

injertado
cuando aumenta la
concentración del
polímero ...
ACEITE
BICAPA
(hidrofilización)
mucho
un poco
MONOCAPA
(hidrofobación)
interfase
AGUA
39 / 78
S355F
40 / 78
S355F
Auto-asociación de polímeros

Auto-asociación de polímeros
micela tipo “crisantemo” o “margarita”

red tridimensional
polar
apolar
polímero tri-bloque
con cadena polar y
terminaciones no-polares
en solvente polar:
polímero tri-bloque
con cadena polar y
terminaciones no-polares
en solvente polar
POP—POE—POP
41 / 78
S355F
Auto-asociación de polímeros

ambos efectos anteriores (tribloques)
a concentración
intermedia
polar
apolar
42 / 78
S355F
Polímeros Hidrofóbicamente Modificados

tendencia “natural” en auto-asociarse
al interactuar los grupos hidrófobos
grupo
hidrófobo
zona
hidrófoba
“enlace de red”
“margarita”
cadena
hidrofílica
43 / 78
S355F
44 / 78
Polímero Hidrofóbicamente Modificado
+ Surfactante iónico
S355F
Polímero noiónico + Surfactante iónico
POLIMEROS
Surf. favorece asociación
a mediana concentración




hemimicela



Poli-óxido-de-etileno (PEO)
Poli-vinil-pirrolidona (PVP)
Poli-vinil-acetato (PVAc)
grupo polar noiónico
Poli-vinil-alcohol (PVA)
cada 2 ó más
Poli-Acrilamida (PAAm)
carbono de la cadena
Hidroxi-etil-celulosa (HEC)
SURFACTANTES


pero la desfavorece
a alta concentración
45 / 78
S355F


46 / 78





S355F
Polímero noiónico + Surfactante iónico
Polímero noiónico + Surfactante iónico

En una micela iónica (SDS)
grupo polar Iónico
Dodecil-sulfato de Na
(cargado) cola en C12-C14
Di-octil-sulfosuccinato de Na
Alquil trimetil amonio cloruro
Asociación “collar de perlas”
+ reticulación
Repulsión entre cabezas
Espacio entre cabezas.
Se meten algunos iones
PEG
pero también AGUA ...
en contacto con los primeros 2-3 carbonos
micela SDS
100 unidades EO
por micela SDS
¡ DESFAVORABLE !
47 / 78
Polímeros HM +
Surfactante que forma bicapa
S355F
48 / 78
por ejemplo



AOT, diglicéridos
cataniónicos
CxEOy a alta Temperatura
Polímero HM

vesícula de
surfactante
agua
agua
Ciencia que estudia el
movimiento y la deformación
de la materia cuando está
sometida a un esfuerzo
S355F
49 / 78
S355F
50 / 78
S355F
Viscosidad - definición
Características de los fluidos
conductividad de cantidad de movimiento
perpendicular al movimiento

Fluidos simples (newtonianos)
como agua, vino, aceite, glicerina

Otras sustancias “fluyen” pero su
viscosidad ya no es una característica
suficiente para diferenciarlos.
geles, pinturas
suspensiones, emulsiones
adhesivos, pasta de diente
salsas ...
Ley de Newton
placa móvil
área A
F =η V
y
A
V
y
x
! = " ˙#
placa fija
η viscosidad
51 / 78
S355F
52 / 78
S355F
Fluidos viscosos
Esfuerzo
τ
Fluidos viscosos
Reo-espesante
o dilatante Shear-thickening
Viscosidad
Newtoniano
Shear-thickening
η
Reo-espesante
o dilatante
Reo-fluidizante
o viscoplástico
Newtoniano
Shear-thinning
Cizallamiento
Reo-fluidizante
o viscoplástico
!˙
˙
Cizallamiento !
Shear-thinning
La viscosidad es la pendiente de la curva del reograma
53 / 78
S355F
54 / 78
S355F
Comportamiento reofluidizante
de dispersiones
Floculación - defloculación

En ausencia de movimiento

Floculados
reología (pseudo)plástica
Floculados pueden desagragarse
Estiramiento y ruptura de los agregados
floculados reduce la viscosidad
En movimiento en la dirección
Orientación
Extensión
cizallamiento
Deformación Desagregación
muy corriente en suspensiones sólidas,
soluciones de polímeros y emulsiones
bajo

γ
alto

γ
55 / 78
S355F
56 / 78
S355F
Floculación produce un
Comportamiento reológico complejo
τ
η
Newtoniano
Comportamiento plástico
!
Tixotrópico
•
γ
no-Newtoniano
Esfuerzo
umbral
Yield
stress
tiempo
η
Viscoplástico
o pseudoplástico
γ
Comportamiento
real (pseudoplástico)
Una vez excedido el umbral, el flujo adquiere
características viscosas; o sea, fluye como un líquido
γ
Comportamiento (pseudo)plástico
y tixotrópico
S355F
58 / 78
S355F
POLIMEROS
(para controlar la viscosidad)
fluido newtoniano

polisacáridos, poliacrilamidas

polímeros especiales
 fluido (pseudo) plástico
 asociativos
T IX
 termoasociativos
 modificados hidrofóbicamente
 interactuan con surfactantes
R
OT
59 / 78
Polímeros electroasociativos
plásticos/tixotrópicos con umbral
S355F
60 / 78
Polímeros termoasociativos
Temperatura aumenta viscosidad
- +
C10

copolímero
estirenovinilpiridina
S355F
micro zonas de asociación
poli-(1-octeno-co-ácido
undecenoico)
+ N-H
IA
¡ mejor limpieza !
limpia boquillas
COO -
OP
PROBLEMAS :
biodegradación y termodegradación
fluido plástico

Esfuerzo umbral
aparente
Esfuerzo de corte umbral, por debajo del cual el
material no fluye de forma viscosa, sino que se
comporta como un sólido elástico.
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muy fluido a alto
cizallamiento
µ
"y
#˙
!˙
no-Newtoniano
Reo-fluidificación
viscoplástico
!y
! " !y ! " #
! " !y ! = µ +
! = !y + µ "
Defloculación completa
τ
modelo Bingham
El complejo ...




produce alta viscosidad
a bajo peso molecular
resiste a la degradación
se deshace y re-hace (zip)
liposoluble a alto PM
AGUA
injertos
hidrófobos
cadena afín
al agua
Aumento de Temperatura
61 / 78
S355F



62 / 78
POLIMEROS
(para controlar la filtración)
(para controlar la filtración)

naturales (xantano, almidón, gomas)
semi-naturales (CMC, HEC)
sintéticos (poliacrilamida parc. hidrolizada)
... eventualmente + surfactantes
63 / 78
1. Lignosulfonatos y otros “protectores
coloidales recubren las partículas y
“polimerizan” la torta
(por interacciones laterales)
arcilla
1. recubren partículas de arcilla
2. “amarran” las partículas
3. “gelifican” el agua
polímero y/o
surfactante
S355F

S355F
POLIMEROS
64 / 78
S355F
POLIMEROS
POLIMEROS
(para controlar la filtración)
(para controlar la filtración)
2. “Coagulan” las partículas de arcilla
con “puentes”
3. Almidón gelatinizado “gelifica” agua
en la torta

agua
inmovilizada
65 / 78
S355F
66 / 78
S355F
Control de electrolitos divalentes

CO2
Ca++
Mg++

H2 S

iones calcio (cemento, gipso, agua salada, cal)
se remueve por adición de Na2CO3 para
precipitar el carbonato insoluble CaCO3
Si el medio es demasiado alcalino se usa
más bien el bicarbonato NaHCO3
iones magnesio se eliminan precipitando
el hidróxido a pH alcalino (> 10)
67 / 78
S355F
68 / 78
S355F
Control de gas carbónico
Control de hidrógeno sulfurado
H2S produce ácidos y resulta en fragilización y
corrosión de tuberías de acero. Es tóxico.
Las formaciones pueden contener dióxido de carbono
que produce los iones carbonato y bicarbonato.
Estos iones crean problemas de filtración y gelación


se eliminan añadiendo cal Ca(OH)2 para
precipitarlos bajo la forma de carbonato de calcio
CaCO3.
NaHS

NOTA: se prefiere tener un poco de iones Ca ++
que iones CO3 - - o HCO3 -.
69 / 78
a pH alcalino (>10) se transforma en
bisulfito y en sulfuro de sodio.
S355F
Na2S
el ion disulfuro puede precipitarse como
sulfuro de metal pesado (ZnS).
70 / 78
S355F
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)


71 / 78
S355F
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
72 / 78
polímeros (control de filtración, reología)
control de densidad con barita y carbonato de Ca
S355F
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
73 / 78
S355F
74 / 78
S355F
Un espaciador base agua
LODO base agua
Lavador base agua
(surfactantes) remueve
lodo y crea sello
Espaciador
Fluido(s) que
se ubican entre
lodo y cemento =
Tren de
desplazamiento
efectivo
75 / 78
S355F
Dos espaciadores
o uno combinado
LODO
base aceite
1
Lavador base
aceite
2
(surfactantes)
Espaciador
base aceite
Espaciador
base agua
Crea “sello”
1 solo espaciador
que no cambia la
mojabilidad al
agua aún si se
contamina con
lodo aceite
¿microemulsión?
Cemento
(acuoso)
Cemento más
denso que el lodo
(+ 1 lb/gal) y alcalino
76 / 78
S355F
Remediación de daño de formación
Espaciador base agua
debe cambiar mojabilidad
¿ contacto 10 min ?
¿Emulsificación?
1
2
(barita, polímeros)
moje al agua
77 / 78
S355F
Remojo con
microemulsión
Microwash™
Microcure™
Microemulsiones formuladas “a la carta” = 1 fase
Convención
de Ingeniería FUDESEV
78
/ 78
Mérida 3-5/11/2010
S355F
Limpieza de Ripios
(cuesta afuera)
Reformulación y reinyección
Lodo recuperado
Separador de Ripios
Desecho
Ripios limpios
Ripios “sucios”
Lavado
Se puede descargar esta presentación en pdf
desde:
http://www.firp.ula.ve