Fluidos de perforacion

Principios BásicosPrincipios Básicosdede

Fluidos de PerforaciónFluidos de Perforación

RESEÑA HISTORICA* Heggen y Pollard (1914): Mezcla de agua con material arcilloso que permanece suspendido durante un tiempo considerable.* Lewis y Mc Murray (1916): Mezcla de agua con materiales arcillosos que permanece suspendido durante un tiempo considerable y que esta libre de arena, ripio o materiales similares.* Strond (1921): Establece el uso de aditivos y la utilización de Barita y Oxido de Hierro para densificar el lodo.

* En 1929 aparece la Bentonita como agente suspensivo y gelificante

* En 1931, Marsh mide la viscosidad del lodo mediante el Embudo Marsh.* En 1937 se utiliza el Filtroprensa para medir la perdida de filtrado del lodo

Remoción de los cortes o ripios Control de las presiones de formación. Limpiar, enfriar y lubricar el equipo de perforación. Proteger la productividad de la formación. Prevenir derrumbes de formación. Suspender solidos cuando se detiene la circulación. Transmitir energía hidráulica a través de la mecha. Ayuda a soportar el peso de la sarta de perforación. Ayuda en la evaluación de formaciones (Registros). Sirve como transmisor de información sobre la

perforación

Funciones de los Fluidos de Perforación

Densidad del ripio Tamaño de las partículas o derrumbes. Forma de la partícula. Densidad del fluido. Viscosidad del fluido. Velocidad del fluido en el espacio anular

Depende de:

Si no se cumple lo anterior, se tendrán problemas operacionales comopuentes, rellenos, arrastre o pega de tubería.

Veloc. anular debe ser mayor que la Veloc. de caída del ripio

Remoción de los cortes o ripios33

Arremetida

Control de presiones de formación

Perdida de CirculaciónSi Dlodo > Pformación

Si Dlodo < Pformación

SUBNORMAL ANORMALNORMAL

0.433Gradiente de presión

del agua dulce

0.466Gradiente de presión

del agua salada

Ph = 0.052 * Dl * H ( Lpg )

Limpiar, enfriar y lubricar el equipo

Lodo

Limpieza de la mecha Limpieza del ensamblaje de fondo

Enfriamiento del equipo

Lubricación (aceites, surfactántes, detergentes )

Proteger la productividad de la formación

DAÑO A LA FORMACION

Invasión del filtrado

Reducción de la Permeabilidad

Lodo

Baja o ninguna productividad

Prevenir derrumbes de formación

Presión Hidrostática ayuda a mantener las paredes del pozo

DERRUMBES

Ruptura de la formación(mecha, estabilizadores, etc)

Erosión del hoyo por alta Velocidad Anular

Formaciones con buzamiento alto

Reacciones osmóticas en la formación

Formaciones con presiones anormales

Formaciones de sales solubles

Densidad de las partículas. Densidad del lodo Viscosidad del lodo. Resistencia de gel del lodo

Durante los cambios de mecha, paradas de bombas de lodo, los ripios deben estar suspendidos.

La tasa de asentamiento de los ripios dependerá de:

Suspender los solidos perforados

Depende de un buen diseño hidráulico

Fluido a alta velocidad

Fuerza de impacto

Remoción de cortes

Mejor limpieza del hoyo

Mayores tasas de penetración

Transmitir energía hidráulica a través de la mecha

Jets de la mecha

Ayuda a soportar el peso de la sarta de perforación

Factor de flotación

Disminuye el peso de la tubería

Evaluación de formaciones: ( Registros )Hay que mantener ciertas propiedades del lodo como:

* Viscosidad* Filtrado

* Calidad de los fluidos* Revoque

Ff = (1-Dl / 65.4)Ff = (1-Dl / 65.4)

Durante la perforación: . Conductividad . Contenido de gas . Análisis de muestras

Después de la Perforación: . Registros Eléctricos

Transmitir e informar sobre la perforación

Composición de los lodos

Fase liquida + Fase solida + Aditivos Químicos

Agua o Aceite

Reactivos (Arcillas comerciales, solidos perforados hidratables) Inertes (Barita, solidos perforados no reactivos, Arena, Calizas, Sílice, Dolomita)

. Fosfatos

. Pirofosfatos

. Tetrafosfatos

. Taninos

. Corteza de Mangle

. Quebracho

. Lignitos

. Lignosulfonatos

. Bicarbonato deSodio

. Soda Caustica

. Humectantes

. Surfactantes

. Otros

Reología de los Fluidos

Deformación de la Materia

Todas las propiedades de flujo dependen de la interrelación de la Tensión de Corte y la Velocidad de

Corte

Velocidad de corte Tensión de corte

Tipos de Fluidos

Velocidad de Corte

Newtonianos:“ Son aquellos donde la tensión de corte es directamente proporcional a la velocidad de corte “ Agua, Diesel, Glicerina

m

Tens

ión

de C

orte Tc= m x Veloc.corte

donde: m: Pendiente

Viscosidad Constante

Tc: Tensión de Corte

No-Newtonianos:“ Requieren cierta Tensión de Corte para adquirir movimiento”

(Punto Cedente verdadero)

Tens

ión

de C

orte

Velocidad de Corte Viscosidad Variable

depende de :

. Tipo de Fluido

. Veloc de Corte

Visc= Tc / Vc

Tipos de Fluidos

Modelos Reológicos:

Permiten explicar el comportamiento del lodo

Modelo Plástico de Bingham

Viscosímetro de dos velocidades

300 600Viscosidad PlásticaVP= F600 - F300

Punto CedentePC= F300 -VP

Modelo de la Ley Exponencial

A velocidades bajas de corte, las Tensiones de Corte obtenidas del modelo de Bingham superan las verdaderas Tensiones de Corte verificadas en el lodo

Este modelo esta basado en las lecturas obtenidas a 300 y 600 rpm cuyos valores corresponden a la siguiente ecuación:

F = K x Pn

K: Factor de consistencia del flujo laminarn: Indice de Comportamiento del flujo laminar

Factores que afectan a la reología

Temperatura Viscosidad

Presión: Poco afecta a las propiedades reológicas

Tiempo GelDeposiciónde solidos

Degradación del Lodo

Propiedades básicas de los fluidos

Viscosidad Plástica:

Resistencia al flujo causada por fricción mecánicaentre los sólidos presentes en el fluido

AFECTADA POR

Concentración de solidos

Tamaño y formade las partícula

Viscosidad dela fase fluida

Densidad del lodo

“ Peso por unidad de volumen, esta expresado en libras por galón, libras por pie cúbico, etc ”

Depende del fluido usado y del material que se le adicione

La densidad del lodo debe ser suficiente para contener el fluido de la formación, pero no demasiado alto como para fracturar la formación

Punto Cedente ( Yield Point )“ Resistencia al flujo causada por las fuerzas de atracción entre partículas sólidas del lodo. Es consecuencia de las cargas eléctricas sobre la superficie de las partículas dispersas en la fase fluida” DEPENDE

DE

Concentración iónica de las salescontenidas en la fase fluida

Cantidad de SolidosTipo de solidos

y cargas eléctricas

Resistencia GelFuerza mínima o Tensión de Corte necesaria para producir un deslizamiento en un fluido después que este ha estado en reposo por un período determinado de tiempo”

Problemas

El no control

Retención de gas

Presiones elevadas para iniciarcirculación

Aumento de la velocidad desedimentación de las arenasy solidos

Succión en la sarta deperforación

Perdida de Filtrado

LODO

Formación

Filtrado

Depende de:Depende de: . Propiedades de las rocas perforadas . Propiedades de las rocas perforadas

. Permeabilidad

Tipos de filtración: Estática y Dinámica

Revoque

Tipos de Fluidos de Perforación

Para un buen diseño del lodo de perforación, se deben considerar los siguientes factores:

. Selección adecuada del fluido.

. Mantenimiento adecuado ( propiedades )

. Planificación: Tipos de formación, equipos de superficie, disponibilidad de aditivos, etc.

Base AguaBase Aceite

Aireados

Fluidos Base Agua

La fase continua es el agua y es el medio de suspensión de los solidos

Existen varios tipos:

Lodo de Agua Fresca - no Inhibido

Fase acuosa con sal a bajas concentraciones y Arcilla

Sódica.

Son simples, baratos. aditivos viscosificantes, dispersantes,

Soda Cáustica y Barita.

Diseñados para perforar zonas arcillosas hasta 220 °F.

Muy sensibles a contaminaciones

Este sistema esta conformado de la forma siguiente:

• Agua Fresca• Nativos.• Agua - Bentonita• Con Taninos• Fosfatos

Lodos de Agua Fresca. Formaciones duras. Agua dulce o salada. Altas velocidades anulares para remoción de solidos

Lodo de Agua Fresca -no Inhibido

Se forman al mezclar agua con Arcillas y Lutitas de las formaciones superficiales.

Lodos Nativos

Son utilizados para perforar zonas superficiales (hasta 1500)Densidades hasta de 10.0 LpgNo requiere de control

de filtrado

Propiedades reológicas no controladas

Continua dilución para prevenir floculación

Se deben controlar los sólidos para un efectivo mantenimiento

Requieren de continua dilución

Lodos de Agua-Bentonita

Es un lodo de inicio de la perforación, constituido por agua y Bentonita recomendado para ser usado hasta 4000´

Características:

• Buena capacidad de acarreo• Viscosidad controlada y control de filtrado• Buena limpieza del hoyo• Bastante económico.

Lodos con Taninos - Soda Cáustica

Es un lodo base agua con Soda Caustica y Taninos como adelgazantes, pude ser de alto como de bajo Ph. No se utilizan con frecuencia, son afectados por la temperatura

Lodos de FosfatosEs un lodo tratado con adelgazantes ( SAAP ),

• Utilizado en formaciones con poca sal o Anhidrita• Máxima temperatura de uso: 180°F• Bajo costo y simple mantenimiento• Muy susceptible a contaminaciones

Lodos de base agua InhibidosSu fase acuosa permite evitar la hidratación y desintegración deArcillas y Lutitas hidratables mediante la adición de Calcio

Calcio (Cal, Yeso y CaCl2 )

Arcillas Sódicas

Mecanismo :Plaquetas de Arcilla

Liberación de agua

Reducción deltamaño partícula

Reducciónviscosidad

Lodo con mayor cantidad de sólidosy propiedades reológicas mínimas

Arcillas Cálcicas

Lodos tratados con Cal

Utilizan la Cal ( Ca (OH)2 ) como fuente de Calcio soluble en el filtrado.Composición:

• Soda Cáustica• Dispersante Orgánico• Cal• Controlador de filtrado• Arcillas comerciales

* Pueden emplearse en pozos cuya temperatura no sea mayor de 250 °F

* Soportan contaminación con sal hasta 60000 ppm

Lodos tratados con Yeso

Utilizan el Sulfato de Calcio como electrolíto para la inhibición de Arcillas y Lutitas hidratables.

Caracteristicas:

• Ph entre 9.5 y 10.5• Concentración de Calcio en el filtrado de 600 a 1200 ppm• Tienden a flocularse por altas temperaturas• Resistentes a la solidificación por temperatura

Lodos tratados con Lignosulfonato

Se adhieren sobre la partícula de Arcilla por atracción de valencia, reduciendo la fuerza de atracción entre las mismas y así reducir la viscosidad y la fuerza gel

Ventajas de su aplicación:

• Mejora las tasas de penetración• Menor daño a la formación• Resistentes a contaminación química• Fácil mantenimiento

• Control de propiedades reológicas• Estabilidad del hoyo• Compatible con diversos aditivos• Controlador de filtrado

Lodos en agua salada

Son aquellos que tienen una concentración de sal por encima de 10.000 ppm hasta 315.000 ppm

La sal aumenta el poder de inhibir la hidratación de Arcillas

Se deben utilizar para:• Perforar zonas con agua salada y Domos de sal• Evitar la hidratación de Arcillas y Lutitas hidratables

El uso de este tipo de lodo puede prevenir problemas originados por:

Lodos de bajo coloideSon lodos de base agua con Polímeros como agentes viscosificantes y con bajo contenido de Bentonita o compuesto coloidal

• Presencia de formaciones solubles de Calcio• Intercalaciones de sal• Flujo de agua salada• Contaminación con CO2

Permite obtener grandes beneficios como son:• Incremento de la tasa de penetración• Mejora la limpieza del hoyo• Mejora la estabilidad del hoyo

Lodos Base Aceite

Emulsion: Dispersión de partículas finas de un liquido en otro liquido

Lodo Inverso

Agua ( fase dispersa) Aceite ( fase continua )

No se disuelve en el aceitepero permanece suspendidaen forma de gotas pequeñas EMULSION ESTABLE

EMULSIFICANTE

Son resistentes a altas temperaturas, no son afectados por formaciones solubles.

Lodos Base Aceite

Bajas perdidas de fluido

Prevenir atascamiento diferencial

Reducción de torques en pozos direccionales

Controlar y prevenir la hidratación de Arcillas y Lutitas

Toma de núcleosPerforación en

ambientes corrosivos

Perforación de formaciones de baja presión

Ventajas

Lodo Base AceiteComponentes:

• Aceite ( Gas-oil)• Agua• Emulsificantes• Controlador de Filtrado• Arcillas Organofílicas• Humectantes• Espaciadores• Cloruro de Calcio

Problemas de campo -Análisis y Soluciones

* Degradación de componentes químicos (aditivos). Degradación bacteriana. Degradación Térmica. Degradación por Oxidación ( Oxigeno )

* Contaminación de fluidos de perforación. Con Cemento. Lodo cortado por gas. Con agua salada o sal. Con Calcio. Gelatinización por alta temperatura . Con Anhidrita y Yeso. Con solidos

ContaminacionesContaminacionesCemento: Producto de las Cementaciones de los revestidores. Es controlable y puede prevenirse con antelación.

Sintomas: . Incremento del ph . Aumento tanto de Punto Cedente como del Gel . Incremento de filtrado y presencia de Calcio en el . Revoque grueso y esponjoso . Alta viscosidad de embudo

Tratamiento:Tratamiento:Añadir compuestos químicos que reaccionen con el Ion Calcioy puedan removerlo como un precipitado insoluble.Pretratamiento: con 0.5 a 0.75 lbs/bl de Bicarbonato de Sodio.

Lodo cortado por gasSe produce cuando se perfora una zona de gas muy porosa a altas tasas de penetración. El gas al expandirse produce cambios en la Densidad del lodo. Síntomas:

. Aumento del volumen del lodo en los tanques

. Presencia de burbujas en los tanques

. Olor a gas en lineas de flujo

. Disminución de la densidad del fluido

Tratamiento:

. Detener la circulación y circular el pozo (columna estabilizada)

. Aplicar tratamiento químico para mantener reología

. Reanudar lentamente circulación y continuar perforando

Agua salada: (Perforación de una arena de agua salada )

Problemas que puede causar en el lodo• Aumento del volumen de fluido en el sistema• Disminución de pH• Incremento de las propiedades reológicas• Aumento de la perdida de filtrado• Aumento de los Cloruros• Disminución de la Alcalinidad del lodo

Tratamiento• Incrementar la densidad del lodo• Añadir controlador de filtrado• Añadir Soda Caustica para subir pH• Agregar dispersante• Diluir si es necesario

CO2 y H2S Forman soluciones ácidas en el agua. Floculan las Arcillasy producen alta corrosión

H S 2

• Incoloro• Mas pesado que el aire• Olor a huevo podrido• Soluble en agua• Irritante y altamente tóxico

Síntomas:• Aumento del volumen de los tanques• Disminución de la densidad del lodo• Disminución de la eficiencia volumétrica de las bombas• Fuerte olor a gas

Tratamiento:• Degasificar• Mantener baja resistencia de gel• Mantener densidad del lodo en tanque activo

Anhidrita y YesoAnhidrita es Sulfato de Calcio y el Yeso es Sulfato de Calcio con agua

Síntomas

• Disminución de pH• Disminución del Mf• Disminución del Pf• Aumento del Ión Calcio en el filtrado• Alta viscosidad• Alta perdida de filtrado

Tratamiento:Agregar Soda Ash ( 0.093 Lbs/bl para precipitar 100 ppm de Calcio)

CaSO4 + Na2CO3 ------------- CaCO3 + Na2SO4Anhidrita Soda Ash

Carbonatos y Bicarbonatos

Se pueden originar:• Al reaccionar el Dioxido de Carbono ( CO2 ) con los iones Oxidrilo (OH)• Sobretratamiento del lodo con Carbonato y/o Bicarbonato de Sodio• Al mezclar Arcillas Sódicas• Al agregar Barita contaminada con Carbonatos

¿ Como identificarlos?

• Bajo pH, Pf y Mf• Alta perdida de filtrado• Altos Geles• No hay presencia de Calcio en el filtrado

Carbonatos Bicarbonatos• Bajo Pf y alto Mf• Alto Filtrado• Altos geles• No hay presencia de Calcio en el filtrado

Los problemas asociados con Carbonatos y Bicarbonatos se puedendiagnosticar con un analisis de Alcalinidad del filtrado Pf y Mf

Pf : FenoltaleinaMf : Anaranjado de Metilo(indicadores)

H2SO4 como solucion tituladora

Pf: cc de H2SO4 (N/50), requeridos por cc de filtrado para llevar el pH del lodo a 8.3 Mf: cc de H2SO4 (N/50), requeridos por cc de filtrado para llevar el pH del lodo a 4.3

Lodo + Fenoltaleina --------- color rosado ( Iones OH- y CO3 )

al titular con H2SO4 y obtener el color original del filtrado

Bicarbonatos

en este momento el pH del filtrado es 8.3.

Pf = cc de H2SO4 utilizados

Luego se agrega Anaranjado de Metilo a la misma muestra obteniendose un color naranja que indica la presencia de iones CO3 y HCO3, se titula con H2SO4 y cambia a color rosado salmón pH = 4.3

Mf : Cantidad de H2SO4 utilizados + cc de H2SO4 para obtener el Pf

La cantidad de Acido Sulfúrico utilizada para determinar el Pf, es la requerida para convertir los Carbonatos a Bicarbonatos; y la empleada para titular del Pf al Mf, es la necesaria para convertir los Bicarbonatos a Dioxido de Carbono y agua

Bicarbonatos

Cálculos Básicos para Fluidos de Perforación

Volumen de lodo en el sistema:

Volumen tanques + volumen hoyo

Rectangular Cilindrico

L x A x P (pies)Vol (bls) =

L

AP

P

D

Vol (bls) = D x 3.1416 x P (pies)5.615 pie / bl 5.615 pie / bl4 x4 x

5050

33 33

Volumen del hoyo:

Se considera que el diámetro del hoyo es igual al diámetro de la mecha

Vol. del hoyo = 2

Volumen en el revestidor :

Diámetro ( pulg ) x Longitud ( pies ) x 0.000972

Diametro ( pulg ) x Longitud ( pies ) x 0.000972Vol revest.=2

Diametro : Diametro interno del revestidor

( bls )

5151

Capacidad y desplazamiento de la tuberia de perforacion

Vol. total del hoyo = ( Vol. hoyo abierto ) + ( Vol. del revestidor )( sin tuberia )

Vol. total del hoyo = ( Vol. hoyo ) + ( Vol. revest ) - (Desp. tub. perforacion ) abierto( con tuberia ) [ [ ]]

cont.....

5252

Dint.D ext.

Vol. Desplaz. = ( Dext ) - ( Dint. ) x long ( pies ) x 0.0009722 2[[ ]

Volumen de desplazamiento de la tuberia:

5353

Volumen Anular:Es el volumen que se encuentra entre la tubería de perforación y las paredes del hoyo y/o revestidor

Vol anular= vol. hoyo - Capac - Dezpl. c /tub tub. tub

Vol. anular= ( Dhoyo - Dtub ) x long x 0.0009722 2

Va

5454

Caudal de la Bomba:

Se obtiene mediante el diametro de la camisa y la longitud de laembolada , convirtiendolo en barriles por embolada y multiplicandolopor las emboladas por minuto.

Q = ( D piston x long. piston x 0.003238 ) x (emboladas por minuto)2

Q : Bls/min o Galones/min

5555

Tiempo de Circulación:

Fondo arriba:

Tfa =Volumen anular (bls)

Caudal bomba (bls/min)

Tiempo de circulación:

Tc = Vol. hoyo - Desp. tubería

Caudal de la bomba

Circulación completa:Volumen total lodo,(bls)

Caudal bomba, (bls/min)Tcc =

5656

Velocidad Anular:

Se expresa en pies /min y se determina con el Caudal de la bombay el volumen anular

V anular =(Bls/min)

1029

(D hoyo ) - (D tub )2 2

5757

Velocidad Critica:

Es la velocidad anular a la cual el modelo de flujo cambia de Laminara Turbulento

Vc (dentro tub.) = 1.08 VP + 1.08 VP + 12.34 d Pc Pl 2 2

Pl d

1.08 VP + 1.08 VP + 9.26 (dh-dt) Pc Pl2 2

Pl (dh - dt)Vc (espacio anular) =

Donde: Vp : Viscosidad Plastica d : Diametro interno tuberia, pulgada Pc : Punto Cedente Pl : Densidad del lodo, lbs/gal

dh : Diametro hoyo, pulgadasdt : Diametro externo,pulgadas

5858