PERFORACIÓN II PERIODO 02-2014 LABORATORIO DE FLUIDOS DE PERFORACIÓN Introducción al laboratorio – Preparación de Prueba Piloto – Medición de densidad y filtración N. F. Barco B., UN; J. J. Peñaloza G., UN; J. Arbeláez G., UN; A. Salazar F., UN. Resumen El objetivo de la práctica se basó en realizar un fluido de perforación WBM con bentonita y densidad teórica de 8.5 lbm/gal, a dicho fluido se le midieron en laboratorio dos propiedades fundamentales: la densidad, por medio de la balanza de lodos, y el volumen de filtrado con el filtro prensa LP-LT, adicionalmente se visualizó el revoque generado en el proceso de filtración. Se tuvieron problemas con el equipo para la medición del volumen de filtrado por tal se presenta un análisis de datos reportados en otras pruebas piloto. El principal problema con el ensayo fue la disminución de la presión durante el mismo. Además se presenta una breve comparación con los datos obtenidos por el grupo 4 los cuales también presentaron inconvenientes con la medición. Se puede concluir de forma directa que una causa de error en las mediciones es el estado en el que se encuentra el equipo para las pruebas deseadas debido a limitación de insumos. Introducción. El éxito de una perforación está ligado al adecuado conocimiento y planeamiento de las múltiples variables que intervienen durante dicho proceso. Precisamente se hace referencia al fluido de perforación, el cual debe ser monitoreado durante toda la operación para poder controlar diferentes parámetros de gran importancia y que irán dictando la dinámica de la perforación. Adicionalmente, el fluido de perforación será un elemento determinante en la producción del pozo, por tal razón el diseño del fluido de perforación es de notable consideración durante la planeación del pozo (1). Debido a la necesidad de diseñar acertadamente el fluido de perforación se han diseñado pruebas para determinar sus principales propiedades y han sido estandarizadas en la industria. (2) La finalidad de la práctica fue realizar un fluido de perforación base agua con una densidad específica establecida y medir dos propiedades importantes: la densidad y el filtrado. La densidad es una propiedad de vital importancia en la perforación, debido a que tiene funciones como la de controlar las presiones del subsuelo. Para ello, se realizó primero una contextualización teórica sobre el mecanismo de las mediciones y equipos utilizados y luego se procedió a realizar las pruebas. A partir de ellas se realizó un análisis detallado sobre los resultados y se brindó algunas conclusiones en consecuencia de los resultados y los objetivos de la práctica. Procedimiento Descripción y Aplicación de los Equipos y Procesos: En la primera práctica se utilizaron los siguientes equipos elementales del laboratorio de fluidos de perforación:
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PERFORACIÓN II
PERIODO 02-2014
LABORATORIO DE FLUIDOS DE PERFORACIÓN
Introducción al laboratorio – Preparación de Prueba Piloto – Medición de densidad y filtración
N. F. Barco B., UN; J. J. Peñaloza G., UN; J. Arbeláez G., UN; A. Salazar F., UN.
Resumen
El objetivo de la práctica se basó en realizar un fluido de
perforación WBM con bentonita y densidad teórica de
8.5 lbm/gal, a dicho fluido se le midieron en laboratorio
dos propiedades fundamentales: la densidad, por
medio de la balanza de lodos, y el volumen de filtrado
con el filtro prensa LP-LT, adicionalmente se visualizó el
revoque generado en el proceso de filtración. Se
tuvieron problemas con el equipo para la medición del
volumen de filtrado por tal se presenta un análisis de
datos reportados en otras pruebas piloto. El principal
problema con el ensayo fue la disminución de la
presión durante el mismo. Además se presenta una
breve comparación con los datos obtenidos por el
grupo 4 los cuales también presentaron inconvenientes
con la medición. Se puede concluir de forma directa que
una causa de error en las mediciones es el estado en el
que se encuentra el equipo para las pruebas deseadas
debido a limitación de insumos.
Introducción.
El éxito de una perforación está ligado al adecuado
conocimiento y planeamiento de las múltiples variables
que intervienen durante dicho proceso. Precisamente
se hace referencia al fluido de perforación, el cual debe
ser monitoreado durante toda la operación para poder
controlar diferentes parámetros de gran importancia y
que irán dictando la dinámica de la perforación.
Adicionalmente, el fluido de perforación será un
elemento determinante en la producción del pozo, por
tal razón el diseño del fluido de perforación es de
notable consideración durante la planeación del pozo
(1).
Debido a la necesidad de diseñar acertadamente el
fluido de perforación se han diseñado pruebas para
determinar sus principales propiedades y han sido
estandarizadas en la industria. (2)
La finalidad de la práctica fue realizar un fluido de
perforación base agua con una densidad específica
establecida y medir dos propiedades importantes: la
densidad y el filtrado. La densidad es una propiedad de
vital importancia en la perforación, debido a que tiene
funciones como la de controlar las presiones del
subsuelo. Para ello, se realizó primero una
contextualización teórica sobre el mecanismo de las
mediciones y equipos utilizados y luego se procedió a
realizar las pruebas. A partir de ellas se realizó un
análisis detallado sobre los resultados y se brindó
algunas conclusiones en consecuencia de los
resultados y los objetivos de la práctica.
Procedimiento
Descripción y Aplicación de los Equipos y Procesos:
En la primera práctica se utilizaron los siguientes
equipos elementales del laboratorio de fluidos de
perforación:
Probeta de laboratorio: se utiliza para medir el
volumen de agua necesitado al momento de
hacer la mezcla del fluido de perforación (3).
Balanza analítica: con ella se logró medir la
masa de bentonita que se iba a mezclar con el
agua para lograr el fluido de perforación. Este
instrumento tiene una certidumbre de 0.001
gramos (3).
Batidora: este instrumento es utilizado en el
laboratorio para dar homogeneidad a la mezcla
del fluido de perforación (3). (Ver Anexo A)
Balanza de lodos: la balanza de lodos está
compuesta por una taza a un extremo del brazo
y al otro un contrapeso, se tiene un dispositivo
que se desliza a lo largo del brazo graduado
para medir la densidad del fluido de
perforación, teniendo una precisión de 0.1
lbm/gal (3). (Ver Anexo A)
Filtro prensa Lt-Lp: posee un área de 45 cm2,
para la práctica se lleva a una presión de 100 psi
de presión, se utiliza para calcular el filtrado o
pérdida de agua hacia la formación en un inicio
y luego de pasados 30 minutos (3).
(Ver Anexo A)
Cronometro: el cual fue utilizado para medir el
tiempo mientras se está llevando a cabo la
prueba de filtrado, el cual tiene una
certidumbre de 0.02 minutos (3).
Los procesos que se realizaron en la práctica se llevaron
a cabo de la siguiente manera:
Se propuso preparar un lodo base agua (WBF)
adicionando cierta cantidad de bentonita para
incrementar la densidad de la mezcla a un valor de 8.5
lbm/gal (4).
1. Por medio de los cálculos respectivos se halló la
cantidad de bentonita que se debió agregar a la
mezcla para llegar a la densidad determinada,
por medio de las ecuaciones de balance de
materiales (4).
2. Luego se usó la balanza analítica para medir de
manera precisa la masa de bentonita que se
agregó a la mezcla, aquí se tuvo cuidado pues
no debe haber ningún tipo de perturbación en
el ambiente cercano a la pesa para no alterar
los resultados (4).
3. Con la probeta graduada se midió la cantidad
de agua que se necesitó para la realización de
la mezcla (4).
4. Para dar homogeneidad a la mezcla se utilizó la
batidora, la cual se usó con bastante cuidado y
dándole actividad de manera manual.
5. Con la balanza de lodos se midió la densidad del
fluido de perforación hecho, pero antes, se
chequeo las condiciones en las que esta se
realizó:
Con agua fresca se midió la calibración
de la balanza que debe dar una
densidad igual a 8.33 lbm/gal.
Luego se vertió la mezcla en la taza de
tal manera que parte del fluido saliera
por el orificio en la parte superior al
haber tapado el recipiente para
eliminar todo tipo de gas aun existente
en este.
Se procedió a medir mediante el
dispositivo movible por la guía
graduada hasta la estabilidad de la
balanza dejando la burbuja
exactamente debajo de la línea central.
Se realizó el registro de la densidad del
fluido dependiendo de la certidumbre
que tiene este instrumento (4).
6. Continuo a esto se procedió a realizar la prueba
de filtrado al fluido de perforación, empleando
un Filtro Prensa Lt-Lp (100 psi y baja
temperatura) (4). (Mirar Anexo A)
7. Se armó el sistema, colocando sobre la tapa
inferior una malla y un papel filtro por donde
debía pasar el volumen filtrado (en este
proceso es importante colocar bien el papel
filtro para que no se levante al momento de la
prueba).
8. Al comenzar la prueba se incrementó la
presión hasta 100 psi, se tomó el volumen de
filtrado inicial en una probeta y de ahí en
adelante se tomaron registro de volumen cada
3 minutos el cual se fue acumulando conforme
paso el tiempo, hasta llegar a 15 minutos y
luego se tomaron datos cada 5 minutos hasta
llegar a un total de 30 minutos. En el caso que
se presenta se tuvo problemas con una
disminución de presión inesperada en el filtro
prensa (Ver Anexo B). El tiempo se mide con el
cronometro (4).
9. Por último se debía medir el revoque (cake) en
la escala de 1/32avos de pulgada (4). En el caso
estudiado no se generó revoque debido al
inconveniente ya mencionado con el equipo de
presión filtro prensa.
*Al terminar la práctica, se dejó todo el laboratorio
en las condiciones encontradas, aseado y de buen
aspecto.
Resultados
Preparación del fluido de perforación de densidad 8.5
lbm/gal.
Este proceso se basó en hacer los cálculos necesarios
para hallar la cantidad de agua y bentonita necesaria
para preparar el fluido de perforación propuesto por el
monitor. De ahí se procedió a mezclar el agua y
bentonita con una batidora, cuando se vio una mezcla
homogénea se utilizó la balanza de lodos para medir la
densidad del fluido de perforación preparado.
Mediante balance de materias y la consideración de
masas y volúmenes aditivos se halló la cantidad de agua
(solvente) y bentonita (aditivo) necesario para obtener
el litro de lodo de densidad 8.5 lbm/gal.
𝜌𝑤𝑉𝑤 + 𝜌𝑏𝑉𝑏 = 𝜌𝑓𝑃𝑉𝑓𝑃 [1]
𝑉𝑤 + 𝑉𝑏 = 𝑉𝑓𝑃 [2]
Donde:
𝜌𝑤: Densidad del agua. (8.33 lbm/gal)
𝑉𝑤: Volumen de agua a emplear.
𝜌𝑏: Densidad de la bentonita. (21.66 lbm/gal)
𝑉𝑏: Volumen de bentonita a emplear.
𝜌𝑓𝑃: Densidad del fluido a preparar.
𝑉𝑓𝑃: Volumen del fluido a preparar.
Procedimiento:
Se Igualaron las ecuaciones [1] y [2] y se despejo 𝑉𝑤 de
[2];
𝑣𝑏 =𝑣𝑓𝑏(ρ𝑓𝑏−𝜌𝑤)
(𝜌𝑏−𝜌𝑤) [3]
𝑉𝑤 = 𝑉𝑓𝑃 - 𝑉𝑏 [4]
𝑉𝑓𝑝 = 1𝐿 = 0.26417 𝑔𝑎𝑙
Se Reemplazaron los valores de densidad y volúmenes
en [3] y [4] se obtuvo lo siguiente;
𝑣𝑏 =0.26417 (8.5 − 8.33)𝑙𝑏𝑚
(21.66 − 8.33)= 3.369 ∗ 10−3𝑔𝑎𝑙
𝑣𝑤 = 1 − 𝑣𝑏 = 0.2608 𝑔𝑎𝑙 = 0.9872 𝐿
Se halló la masa de bentonita para esto se multiplica 𝑣𝑏
por la densidad de bentonita utilizando el factor
respectivo de la prueba de piloto;
𝑚𝑏 = 𝜌𝑏𝑣𝑏 = 3,369 ∗ 10−3𝑔𝑎𝑙 ∗ 21.66 𝑙𝑏𝑚
𝑔𝑎𝑙 ∗
1 𝑔
1 𝑙𝑏𝑚
𝑚𝑏 = 33.10 𝑔
Por tanto, se debieron agregar 33.1 g de bentonita
a la mezcla y 0.9872 L de agua. Se Reporta la masa
de bentonita y volumen de agua con la precisión del
instrumento de medición, se tiene que:
Volumen de agua
𝑣𝑤 = 9,9 ∗ 102𝑚𝑙 ± 0.5 ∗ 102 𝑚𝑙
Masa de bentonita
𝑚𝑏 = 33.10 𝑔 ± 0.01 𝑔
Una vez se agregó y mezclo el agua con la bentonita se
procedió a medir la densidad del lodo con la balanza de
lodos ya calibrada con agua. Luego, al medir la
densidad del lodo se obtuvo una medición de 8.4
lbm/gal (Ver Anexo B). Al reportar con sus respectivas
cifras significativas e incertidumbre;
𝜌𝑓𝑝 = 8.4 𝑙𝑏𝑚
𝑔𝑎𝑙± 0.1
𝑙𝑏𝑚
𝑔𝑎𝑙
Donde la incertidumbre dada, al tener la densidad
como medida directa, es la precisión propia del
instrumento de medición.
Prueba de filtrado para un fluido de perforación
Después de obtener la densidad del fluido de
perforación se llevó la mezcla al filtro prensa. Se
procedió a medir el volumen de perdida de filtrado del
fluido en el filtro prensa con su acumulación en una
probeta, en el caso presentado se obtuvo
inconvenientes con la prueba. Se presentaron dos
problemas causantes de que la prueba no se ejecutara
adecuadamente y por tanto no tuvo validez. Primero,
el papel filtro no fue acomodado adecuadamente, por
tanto al empezar la prueba se generó un volumen de
filtrado mayor que el esperado. En segundo lugar la
presión que se aplicó al lodo en la prueba, por parte del
filtro prensa, fue disminuyendo con el tiempo por lo
cual se terminó la prueba de forma inesperada cuando
la presión ya estaba por debajo de 50 psi que fue
aproximadamente a los doce minutos de haber
empezado la prueba. Tomando un registro de volumen
en un intervalo de tres minutos se obtuvieron los
siguientes datos:
Tiempo (min) Volumen (ml)
0.00 ± 0.02 16 ± 0.5
3.00 ± 0.02 23 ± 0.5
6.00 ± 0.02 26 ± 0.5
9.00 ± 0.02 28.5 ± 0.5
12.00 ± 0.02 30.5 ± 0.5
Tabla1. Resumen de datos de volumen de filtrado para fluido
de perforación. Datos medidos con un cronometro y una
probeta.
La siguiente tabla fue anexada por el monitor para
hacer el análisis de la prueba de filtrado. Los primeros
15 minutos se tomó la medición de filtrado en
intervalos de 3 minutos y de ahí en adelante se tomó
las mediciones en intervalos de cinco minutos hasta
llegar a los 30 minutos.
Tiempo (min) Volumen (ml)
0.00 ± 0.02 22 ± 1
3.00 ± 0.02 26 ± 1
6.00 ± 0.02 29 ± 1
9.00 ± 0.02 30 ± 1
12.00 ± 0.02 32 ± 1
15.00 ± 0.02 34 ± 1
20.00 ± 0.02 36 ± 1
25.00 ± 0.02 38 ± 1
30.00 ± 0.02 39 ± 1
Tabla 2. Prueba de filtrado anexada por monitor
De aquí, se obtienen dos datos de suma importancia
en la determinación de esta prueba de filtración:
Volumen de filtrado inicial:
𝑉𝑠𝑝 = 22 𝑚𝑙 ± 1 𝑚𝑙
Volumen de pérdida de fluido API:
𝑉30 = 39 𝑚𝑙 ± 1 𝑚𝑙
Análisis de Resultados
Medición de la densidad del fluido de perforación:
Se procede a calcular el error relativo cometido de
acuerdo la densidad medida, tomando como valor
teórico el que asumió al momento de hacer el balance
de materiales:
𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 =|𝜌𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎−𝜌𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎|
𝜌𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎 [5]
𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 =|8.4 − 8.5|
8.5= 0.01
Este porcentaje de error es relativamente bajo (1%),
puesto que la densidad teórica se encuentra en el
intervalo que admite la incertidumbre de la medida del
instrumento. Podemos concluir que el error pudo ser
generado por la precisión de la balanza de lodos (± 0.1
lbm/gal); otro factor que se debe tener en cuenta es
que a medida que fue mezclado el agua con la
bentonita se generaron grumos de bentonita que
nunca se mezclaron adecuadamente con el agua y esto
pudo haber contribuido al error.
Prueba de filtrado:
Para el caso del laboratorio se tuvieron problemas con
la prueba de filtrado por lo cual no se pudo terminar la
prueba. Por esta razón se analizó la prueba con los
datos de la tabla [2] anexada por el monitor y
presentada anteriormente. Para el análisis se hizo una
regresión lineal con los datos de filtrado (volumen de
pérdida de filtrado vs la raíz cuadrada del tiempo) por
medio del programa de Physics Sensor elaborado por
el docente Diego Aristizabal:
Fig. 1: Regresión lineal de datos de Volumen (cm3) vs. raíz
cuadrada del tiempo (𝑚𝑖𝑛0,5) junto a datos originales
obtenidos. Creación por medio del programa Physics Sensor
del docente Diego Luis Aristizabal. (5)
Fig. 2. Resultados de regresión lineal de datos de Volumen
(cm3) vs. raíz cuadrada del tiempo (min0.5) junto a datos
originales de la prueba. Creación por medio del programa
Physics Sensor del docente Diego Aristizabal. (5)
Al hallar el máximo error absoluto obtenemos:
𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 𝑚𝑎𝑥|𝑉𝑜𝑙𝑀𝑒𝑑𝑖𝑑𝑜 − 𝑉𝑜𝑙𝑅𝑒𝑔𝑟𝑒𝑠𝑖𝑜𝑛 𝑙𝑖𝑛𝑒𝑎𝑙|
𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 = 0.74
Este error absoluto es mayor a la incertidumbre de las
mediciones de volumen, por lo que habría que
considerar elementos que hayan podido afectar en el
error. Entre estos la concentración de iones en el
filtrado y la actuación de la bentonita como agente
reductor del filtrado. Pero, al considerar también que
la relación entre el volumen de pérdida de filtrado y el
tiempo es analítico-empírica; y que además, el dato
considerado como teóricamente verdadero proviene
de un método numérico a partir de datos
experimentales, se puede considerar que el resultado
obtenido es aceptable [4].
Comparación de Resultados:
Se procedió a hacer una comparación de los resultados
obtenidos por el grupo 4 y el grupo redactor de este
informe. El grupo 4 fue asignado la preparación de un
lodo de densidad 8.7 lbm/gal y hacer el respectivo
balance de masa y volúmenes aditivos a lo que
obtuvieron los siguientes datos:
Volumen de agua a emplear
𝑣𝑤 = 9,7 ∗ 102𝑚𝑙 ± 0.5 ∗ 102 𝑚𝑙
Masa de bentonita a emplear
𝑚𝑏 = 72.05 𝑔 ± 0.01 𝑔
En conclusión, los datos obtenidos por el grupo 4 son
coherentes ya que al preparar un fluido de perforación
de mayor densidad, se obtendrá mayor cantidad del
componente más denso y menor del menos denso (en
este caso fueron bentonita y agua respectivamente).
Medida de la densidad del fluido de perforación grupo
4:
Al pasar el fluido de perforación a la balanza de lodos
se hizo el mismo procedimiento que el grupo redactor
de este informe y se obtuvo una lectura de:
𝜌𝑓𝑝 = 8.7 𝑙𝑏𝑚
𝑔𝑎𝑙± 0.1
𝑙𝑏𝑚
𝑔𝑎𝑙
En este caso el erro relativo:
𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 =|𝜌𝑚𝑒𝑑𝑖𝑑𝑎 − 𝜌𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎|
𝜌𝑡𝑒𝑜𝑟𝑖𝑐𝑎
𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 =|8.7 − 8.7|
8.5= 0
En este caso se obtuvo un error menor que al del grupo
redactor por varias razones, de las cuales se destaca el
procedimiento y organización con la cual cada grupo
desarrollo el experimento. Otro factor importante que
se debe tener en cuenta son las incertidumbres de cada
instrumento utilizado durante el experimento.
Prueba de filtrado para el fluido de perforación grupo
4:
Se obtuvo el mismo problema descrito anteriormente
sobre la estabilidad de la presión. Por esta razón al
igual que el grupo redactor no se terminó esta prueba.
El grupo 4 reporto los datos consignados en la siguiente
tabla:
Tiempo (min) Volumen (ml)
0,00 ± 0,02 3,2 ± 0,5
3,00 ± 0,02 6,5 ± 0,5
6,00 ± 0,02 8 ± 0,5
9,00 ± 0,02 9,5 ± 0,5
12,00 ± 0,02 10,5 ± 0,5
12,00 ± 0,02 11,5 ± 0,5
15,00 ± 0,02 12,5 ± 0,5
Tabla [3]. Resumen de datos de volumen de filtrado para
fluido de perforación (Grupo 4). Datos medidos con un
cronometro y una probeta.
Se pudo observar que el volumen de filtrado es menor
que al del grupo redactor ya que este grupo no tuvo
problema con el acodamiento del filtro y por tal razón
se obtuvieron unos datos más razonables. Por tanto,
para el grupo 4 se formó un mud cake con poca firmeza
con las siguientes características (Ver Anexo B):
Característica Descripción
Espesor 2 mm ± 1 mm
Textura Blanda
Color Grisáceo
Tabla [4]. Características del mud cake resultante de la
prueba de filtrado del grupo 4.
Conclusiones
Se logró reconocer y aprender a manejar los
equipos básicos del laboratorio, cabe decir que
el estado en el que se encuentran los equipos
es de suma importancia ya que de ellos
depende la precisión y confiabilidad de los
resultados de la prueba, además de esto las
practicas se ven afectadas por las limitaciones
de tener materiales adecuados que hay
disponibles para su utilización, como se pudo
ver en el caso del papel filtro.
Es de vital importancia el adecuado diseño de
un lodo de perforación con características
específicas de acuerdo a las necesidades de
cada pozo, por lo cual es necesaria la
realización de pruebas piloto estándar en
laboratorio que permitan determinar el
cumplimiento de las funciones que debe tener
dicho fluido de perforación en el campo.
La filtración de los fluidos de perforación es
bastante importante ya que el daño que causa
a la formación crea problemas los cuales
pueden determinar la vida productiva del pozo.
Una forma eficaz de controlar las propiedades
de un fluido de perforación es la mezcla de
aditivos que se encargan de optimizar cada
función del lodo.
En la prueba de filtración del fluido, se observó
un volumen de filtrado inicial de gran
magnitud, debido a que el revoque necesita de
tiempo para constituirse y estabilizarse, para
que el revoque adquiera una impermeabilidad
que le permita cumplir el objetivo de aislar el
fluido de la formación.
Por motivos de caída de presión durante la
prueba de filtrado no se logró visualizar un
revoque optimo, ya que las partículas sólidas
no se desplazaron a la presión necesaria para
que la fase dispersa tuviera efectividad
formando el revoque en la parte de la tapa
inferior.
Analizando los datos brindados a partir de la
hipótesis de que un buen lodo de perforación
no debe dejar pasar más de 20 cm de filtrado
para formar un revoque con espesor
comprendido entre 5-8 mm, podemos concluir
que el volumen de filtrado no es el más óptimo
bajo la hipótesis mencionada, sin embargo su
volumen está en un rango aceptable, cerca al
establecido.
Anexos
Anexo A
Fig. A-1 Balanza de lodos para medir densidad
Fuente: elaboración propia.
Fig. A-2 Batidora para mezcla de lodos
Fuente: elaboración propia.
Fig.A-3 Prensa Filtro LP-LT
Anexo B
Fig. B-1 Lodo densidad 8.4 lbm/gal
Fuente: elaboración propia.
Fig. B-2 Revoque o mud cake de lodo
Fuente: elaboración propia.
Fig. B-3 Caída de presión inesperada de la de Prensa
Filtro LP-LT
Fuente: elaboración propia.
Tabla. B-1 Conversiones
Fuente: Guía Laboratorio 1 Perforación II
Anexo C
ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS
1. Consultar acerca de los tipos de fluidos base
agua (lodos dispersos, no dispersos…) y base
aceite (emulsión inversa, 100% aceite,
sintéticos…).
Fluidos base Agua (WBF, WBM) [5]
Son fluidos de perforación que tienen una base de agua
potable, agua marina, salmuera, o salmuera saturada y
el tipo de fluido seleccionado depende de las
condiciones del pozo o del intervalo de profundidad
donde se está perforando. Son fluidos usados
aproximadamente en el 80% de todos los pozos. Están
compuestos por un 80% de agua aproximadamente y el
resto son sólidos, tanto activos como inactivos, aceites
y químicos que controlan la actividad de los sólidos. Los
fluidos de perforación base agua se dividen en tres
categorías:
Lodos no dispersos: Son lodos poliméricos que
contienen pequeñas cantidades de sólidos y se
usan para mejorar la capacidad de limpieza en
el hueco y para aumentar la tasa de
penetración. Las arcillas naturales
incorporadas son manejadas mediante
dilución, encapsulación y floculación. La
viscosidad y el control de pérdidas de fluido
son provistos por largas cadenas de polímeros.
Alcanzan a tener una densidad entre 17 y 18
lbm/gal.
Lodos dispersos: Son lodos tratados con
dispersantes químicos y son diseñados para
deflocular las partículas de arcilla y permitir
que se mejoren las propiedades reológicas de
lodos de alta densidad. Para dispersar el lodo
se usan lignitos, lignosulfatos y taninos, y el
uso de ellos hace que el lodo incremente su
capacidad de tolerancia de sólidos, por lo que
la densidad del fluido alcanza valores
superiores a las 20 lbm/gal. Un lodo cargado
de sólidos puede además reducir la tasa de
penetración significativamente y contribuye
además a erosionar el hueco.
Lodos poliméricos: Son usados para perforar
formaciones reactivas donde es muy
significativo el requerimiento de inhibición de
lutitas. Los inhibidores que se usan más
frecuentemente son sales, glicoles y aminas,
los cuales son incompatibles con el uso de
bentonita. Entonces, estos lodos obtienen su
viscosidad de polímeros como la goma xantán
y el control de pérdidas de fluido a partir de
almidón o derivados de celulosa.
Lodos en base de agua salada: Son fluidos de
perforación usados típicamente para inhibir
shales y lutitas y para perforar formaciones
salinas. Lodos con baja cantidad de sólidos
pueden ser formulados con salmueras de alta
densidad como, cloruro de calcio, bromuro de
calcio y bromuro de zinc.
Fluidos base aceite (OBM, OBF) [5] [6]
Los fluidos de perforación base aceite fueron
desarrollados para ayudar con algunos problemas de
perforación, como la presencia de formaciones de
arcillas que reaccionan, hinchan o se desprenden
después de estar expuestas a fluidos base agua; el
incremento de temperaturas en el fondo del pozo y el
atascamiento de la tubería. Estos fluidos base aceite
son formulados con diésel, keroseno, petróleo, aceite
mineral o también con olefinas y parafinas, donde ya se
refiere al fluido como sintético. Su composición es
principalmente 54% de aceite, 30% de agua (emulsión
de agua en aceite) y un 16% de sólidos inactivos. Esta
emulsión debe ser lo suficientemente estable para
poder incorporar un volumen adicional de agua si se
encuentra un flujo de agua al fondo del pozo. A los
fluidos base aceite se les considera como una emulsión
inversa pues el aceite es la fase continua o externa y el
agua es la fase interna. Estos fluidos pueden clasificarse
en:
Fluidos de base sintética: Fueron desarrollados
con el deseo de reducir el impacto ambiental de
las operaciones de perforación costa fuera,
pero sin sacrificar la relación costo-efectividad
de los fluidos base aceite. Estos fluidos son
usados para maximizar la tasa de penetración,
incrementar la lubricación en pozos
direccionales y horizontales y para minimizar
los problemas de estabilidad como los
causados por shales y lutitas reactivas. Estos
fluidos están formados por una base de
sustancias orgánicas principalmente como
olefinas, parafinas, esteres y éteres.
Fluidos 100% aceite: Son normalmente
producidos con diésel o con una base sintética
y sin agua, y son especiales para el uso en
intervalos de formaciones de shales donde la
salinidad del agua de la formación varía en un
amplio rango, y de esta manera se puede
preservar la estabilidad y prevenir la hinchazón
de estas formaciones.
2. ¿Qué problemas conllevan un volumen alto de
filtrado, que solución podría darse a un fluido el cual
presenta un alto volumen de filtrado?
El volumen alto de filtrado conlleva a un daño a la
formación por desplazamiento de fluido del pozo a la
formación. Si el caso es de acuíferos puede llevar a la
contaminación de estos. Por otro lado está la formación
de un revoque grueso el cual reduce el diámetro del
pozo y dificulta la ingeniería posterior además de
aumentar el riesgo de una pega diferencial. Si el caso se
da en la formación productora puede causar daños a la
formación por afectación a la permeabilidad debido a la
migración de finos que podrían taponar los poros de la
formación productora reduciendo la permeabilidad y
por tanto la productividad del pozo.
La solución a estos problemas de alto filtrado es la
modificación del fluido de perforación para que
adquiera ciertas características que lo lleven a producir
un revoque delgado y poco permeable que evite el paso
de fluido del pozo a la formación.
Algunos aditivos típicos para el control del filtrado son:
Si el volumen de filtrado es muy grande ya generando
altas perdidas de fluido de perforación puede ser por
una posible fractura de formación que generara altas
perdidas económicas. Para controlar este problemas se
puede adicionar al lodo material que taponen las zonas
de perdidas como son cascaras de nuez y mica (4).
3. Al perforar se atraviesan estratos con diferentes
características, que sucede con el diámetro del hueco y
la formación de cake(o revoque) cuando se atraviesa
una formación:
•Impermeable
•Permeable
•Poco consolidada
Impermeable:
En la perforación de este tipo de formaciones,
como el mismo nombre lo dice, no hay
filtración del fluido de perforación por lo que no
se forma ningún tipo de revoque y por ende
encontramos que el diámetro del hueco
permanece constante.
Perméable:
En la perforación de este tipo de formaciones,
nos vemos afectados en la filtración de fluidos
al interior de la formación, al quedarse
atascadas las partículas sólidas fuera de la
formación se forma el cake y este al mismo
tiempo hace que el diámetro del hueco reduzca
en una magnitud que depende de los aditivos
que tenga el fluido de perforación (4).
Poco consolidada:
Cuando estamos perforando este tipo de
formaciones, al ser tan poco compactas las
paredes del hueco presentan derrumbes
constantes en los cuales se forma un revoque
inicial pero al haber desmoronamientos el
revoque también cae, aquí encontramos un
diámetro de hueco muy variable por lo anterior
dicho.
4. Una prueba de filtrado da como resultado X cm3 en
30 min, que esperaría si el fluido es utilizado para
perforar una formación A con Φ=0,2 y este mismo es
utilizado en una formación B con Φ=0,35.
Teniendo en cuenta que la porosidad (Φ) es la fracción
de volumen poroso respecto a él volumen total y que la
permeabilidad (k) es la capacidad de un sólido al
permitir flujo a través de él, se podría pensar que una
tiene una relación directa con la otra y efectivamente
en algunos casos se cumple que la permeabilidad es
proporcional a la porosidad (k 𝛼 Φ) lamentablemente
no siempre se cumple este hecho por lo cual no
podemos asegurar nada acerca de que pasara con el
volumen de filtrado ya que no conocemos la
interconexión entre los poros.
5. Determinar la perdida por filtrado inicial y la
perdida de agua API, para un lodo que presenta:
Tiempo (min)
Volumen de filtrado
(ml)
7,5 12,3
20 17
El volumen de filtrado (ml) es proporcional a la raíz
cuadrada del tiempo (en min0.5). Por tanto,
considerando tal relación lineal, se determina el
volumen de pérdida de filtrado (Vsp) a un t=0. Para ello,
se igualan las pendientes de las rectas que pasan por el
punto de t=0 y t=7.5min, y por t=20min y t=7.5min;
𝑣7.5 − 𝑣𝑠𝑝
√7.5=
𝑣20 − 𝑣7.5
√20 − √7.5
𝑣𝑠𝑝 = √7.5(𝑣7.5 − 𝑣20)
√20 − √7.5+ 𝑣7.5
𝑣𝑠𝑝 = 4,9 𝑚𝑙
Por tanto, la pérdida por filtrado inicial es de 4,9 ml.
Para calcular la pérdida de agua API, empleamos la
ecuación dada en la guía:
𝑉30 = 2 (𝑉7.5 − 𝑉𝑠𝑝) + 𝑉𝑠𝑝
𝑣30 = 2(12,3 − 4,9) + 4,9
𝑣30 = 19,73 𝑚𝑙
La pérdida de agua API es de 19,73 ml.
6. La densidad de 800 bbl de lodo de 14 lbm/gal
debe ser incrementada a 14,5 lbm/gal usando barita
API (densificante cuya densidad es 35 lbm/gal). El
volumen total del lodo es limitado a 800 bbl.
Calcular cuanta barita se requiere y cuanto volumen
de lodo debe descartarse.
Aplicamos balance de materia para este caso,
𝜌fp1𝑉fp1 + 𝜌𝑏𝑉𝑏 = 𝜌𝑓𝑃2𝑉𝑓𝑃2 [1]
𝑉fp1+ 𝑉𝑏 = 𝑉𝑓𝑃2 [2]
Igualando ambas ecuaciones obtenemos,
𝑣𝑓𝑝1 =𝑣𝑓𝑝2(ρ𝑓𝑝2 − 𝜌𝑏)
(𝜌𝑓𝑝1 − 𝜌𝑏) [3]
𝑉b = 𝑉𝑓𝑃2 – 𝑉fp1 [4]
Donde,
𝜌𝑓𝑃.1: Densidad del fluido base. (14 lbm/gal)
𝑉𝑓𝑃,1: Volumen del fluido base a emplear
𝜌𝑏: Densidad de la barita. (35 lbm/gal)
𝑉𝑏: Volumen de la barita a emplear.
𝜌𝑓𝑃,2: Densidad del fluido a preparar. (14.5 lbm/gal)
𝑉𝑓𝑃,2: Volumen del fluido a preparar (800 bbl =33600
gal)
Primero hallamos cuanto volumen de lodo debemos
descartar utilizando la formula [3];
𝑣𝑓𝑝1 =800𝑏𝑏𝑙(14.5 − 35)
(14 − 35)
𝑣𝑓𝑝1 =780,95 bbl
Luego, se emplearían 780.95 bbl del fluido de
perforación de 14 lbm/gal. Por tanto, se descartaría
la diferencia entre la cantidad inicial y la que se
necesita para la preparación del lodo de 14,5
lbm/gal.
𝑉𝑓𝑃1 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑡𝑎𝑑𝑜 = 𝑉𝑓𝑃𝑖𝑛𝑖𝑐𝑖𝑎𝑙 − 𝑉𝑓𝑃1
𝑉𝑓𝑃1 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑡𝑎𝑑𝑜 = 800 𝑏𝑏𝑙 – 780,95 𝑏𝑏𝑙
𝑉𝑓𝑃1 𝑑𝑒𝑠𝑐𝑎𝑟𝑡𝑎𝑑𝑜 = 19,05 𝑏𝑏𝑙
Procedemos a calcular la masa de barita que se debe
utilizar para producir el lodo de perforación. Para esto
se requiere de la ecuación [4] para hallar el volumen de
barita que luego se multiplica por la densidad de barita
para obtener la masa de barita;
𝑚𝑏 = 𝜌𝑏(𝑣𝑓𝑝2 − 𝑣𝑓𝑝1)
𝑚𝑏 = 35 𝑙𝑏𝑚
𝑔𝑎𝑙(800 − 780,95𝑏𝑏𝑙)
42 𝑔𝑎𝑙
𝑏𝑏𝑙= 28003.5 𝑙𝑏𝑚
Finalmente la masa de barita que se debe utilizar en la
preparación del fluido de perforación de 14.5 lbm/gal
es de 28003.5 lbm.
7. Resumen Artículo:
Se evaluaron las propiedades de filtración de fluidos a
través de medios porosos no consolidados, se llevaron
a cabo estudios en varias propiedades del fluido para
tener un buen control del fluido y una buena estabilidad
de pozo. Se tomó en cuenta que la invasión de los
fluidos es muy importante en las zonas productoras, ya
que esta determina la productividad del pozo. El
Filtrado y la invasión de solidos pueden causar un daño
irreversible a la formación, y reducir la permeabilidad
de forma que la productividad disminuye.
Se implementaron ácidos solidos solubles que no
generan daño a la formación y usualmente se añaden a
fluidos de perforación para minimizar el efecto de la
filtración. También se utilizan polímeros específicos
para reducir la invasión que se da por química cuando
hay contacto con la superficie.
El experimento se realizó en dos formaciones
diferentes, con sólidos que poseían una distribución de
tamaño de partículas y concentraciones diferentes
entre medios porosos poco consolidados donde se
agregaron diferentes fórmulas de bases poliméricas
que exhiben las diferentes propiedades reologicas y
esfuerzo de cizalla. Se utilizó la misma técnica y
procedimiento para cada tipo de solución donde se
observó la filtración de este fluido en el medio poroso;
además de esto se identificó el impacto de los
diferentes tamaños, formas, distribución y origen de las
partículas.
Aquí se observó y medio la zona que fue invadida por el
fluido, y se logró evaluar la efectividad de los diferentes
tipos de materiales que se agregaron a los fluidos de
perforación.
Los resultados de esta prueba son material de apoyo
para el desarrollo de modelos de filtración para cálculos
de tasa de filtración y observar la penetración en la
formación para comportamientos reologicos no
newtonianos.
Se realizaron experimentos mediante la filtración
estática en medios porosos poco consolidados para
evaluar la profundidad de invasión y la formación de
revoque interno y externo. Todo se analizó mediante
observaciones y programas de tomografía.
Se experimentó con los efectos de sólidos en filtración. Los aditivos trabajando juntos como un material de taponamiento para controlar la pérdida de fluidos y minimizar la invasión hacia la formación. Por esto es de gran importancia los tipos de materiales y concentraciones que se deben mezclar para crear un revoque de baja permeabilidad y para disminuir daños a la formación. Se tomó en la prueba dos tipos de materiales granulares que se utilizaron en medios porosos (primero una mezcla de diferentes arenas en un medio poco consolidado y bauxita sintética, que se analizaron en medios porosos húmedos y secos) estos materiales se agregaron a cilindros transparentes para su análisis en donde se formó el medio poroso; esta prueba se hizo a temperatura ambiente y una presión de 100 psi.
Medio poroso poco consolidado (fluido saturado con carbonato de calcio): Se empleó varias pruebas de filtración API a dos tipos de base de fluidos formulados: Uno saturado con carbonato de calcio y otro de composición de agua fresca. Se concluyó que a cambiar el porcentaje de sólidos para ambas bases no se generó un cambio notable en la filtración API. En la prueba con Carbonato de Calcio:
Granulares: Los resultados del revoque y la profundidad de penetración sugiere que la relación entre el promedio del diámetro de los poros y el tamaño de partículas es un factor
muy importante para el control de deposición de sólidos.
Laminados: Se generó un cambio notable en la filtración y la formación de revoque para los diferentes tamaños de láminas (fine,médium,coarse).
Aquí vemos que en la prueba con carbonato de calcio,
la comparación de profundidad de invasión en la
formación se puede concluir que en una concentración
de solidos iguales, con partículas finas se demora más
en formarse el revoque; este atrasa la formación del
revoque externo y hace que la penetración del fluido
sea más fácil y sea más profunda; el efecto en medios
porosos húmedos y secos es el mismo.
Bauxita sintética (formulación de fluido a base de agua fresca): Se pudo concluir, por medio de los experimentos y datos recogidos, la importancia del tamaño y la forma de las partículas; estas son de gran importancia para el comportamiento de filtración en los diferentes fluidos. No se pudo concluir una relación directa con la concentración de sólidos y la profundidad de invasión de cada fluido. Los sólidos utilizados en esta prueba fueron 9
carbonatos de calcio, una muestra de fibra orgánica y 3
muestras de fibra celulosa.
Después de analizar los efectos de las diferentes
mezclas de fluidos que se utilizaron en la prueba,
concluimos que los materiales granulados, de fibra
laminares, actúan de manera distinta en medios
porosos poco consolidados con alta permeabilidad; con
esto se confirma la importancia de los efectos de la
forma de las partículas en los mecanismos de filtración;
también se ve que un aumento en la concentración de
solidos no afecta la filtración de sólidos y fluidos al
medio.
El tamaño de partículas y su geometría son los factores
principales en la invasión a la formación por el fluido.
Referencias Bibliográficas (5)
1. Bourgoyne, Adam M. Drilling Fluids. Applied Drilling
Enginnering. Richardson, Texas : Society of Petroleum
Enginnering, 1986, págs. 41-84.
2. American Petroleum Institute. Recommended
Practice for Field Testing Water-based Drilling Fluids.