Quimica Basica

Química Básica

Química Básica 4A.1 N° de Revisión: A-1 / Fecha de Revisión: 14-02-01

CAPÍTULO

4A

Los ingenieros de lodo tratan con laquímica todos los días. La química esel estudio de la materia, incluyendo sucomposición, sus propiedades y sutransformación o reacción con otrassubstancias (reacciones químicas). Lamateria es algo que tiene masa yocupa espacio.

La masa es una medida de lacantidad de materia o la cantidad dematerial contenido en algo. La masaes una de las cantidadesfundamentales en las cuales todas lasmedidas físicas están basadas. La masaes lo que hace que la materia tengapeso en un campo de gravedad einercia cuando está en movimiento. Elpeso de algo es la fuerza de gravedadque actúa sobre una masadeterminada y es directamenteproporcional a la masa multiplicadapor la fuerza gravitatoria (aceleración).Las unidades comunes de masa sonlos gramos (g) y las libras-masa.

El volumen es una medida de lacantidad de espacio ocupado por la

materia. Las unidades comunes devolumen del campo petrolífero son losgalones (gal), barriles (bbl), piescúbicos (ft3), litros (l) y metros cúbicos(m3).

La densidad se define como larelación de masa dividida por elvolumen. Las unidades comunes dedensidad del campo petrolífero son laslibras por galón (lb/gal), libras por piecúbico (lb/ft3), kilogramos porcentímetro cúbico (kg/cm3) y gramospor centímetro cúbico (g/cm3). Lagravedad específica es una expresiónespecial de la densidad que se sueleusar para líquidos y sólidos. Se trata dela relación de la densidad de unasubstancia dividida por la densidaddel agua pura a una temperaturaindicada, generalmente de 4ºC.Asimismo, la densidad de los gases sesuele expresar como “gravedad degas”, o como la relación de ladensidad de un gas particular divididapor la densidad del aire puro bajocondiciones estándar.

Introducción

Clasificación de la Materia

Todas las substancias están incluidasen uno de tres estados físicos:• Sólido• Líquido• Gas

Los Sólidos tienen generalmenteuna mayor densidad que los líquidos ygases. Son substancias que no sonfluidas, y por lo tanto, no fluyencuando se aplica una fuerza. Lossólidos no se adaptan fácilmente a laforma de su contenedor.

Los Líquidos tienen generalmenteuna densidad más baja que los sólidos,pero mayor que los gases. Los líquidosse adaptan fácilmente a la forma de sucontenedor. Tanto los líquidos comolos gases son fluidos que “fluyen”cuando se aplica una fuerza.

Los Gases no solamente se adaptana la forma, sino que también seexpanden para llenar su contenedor.

Todas las substancias tambiénpueden ser separadas en doscategorías:

• Homogéneas (substancias puras)• Heterogéneas (mezclas de

substancias)Un ejemplo de un material

homogéneo sería la sal común, en lacual cada grano tiene unacomposición química idéntica. Unejemplo de un material heterogéneo(no uniforme) sería la grava del caucede un río: se trata de una mezcla derocas – de una variedad de fuentes –que tienen diferentes composicionesquímicas, apariencias y propiedades.Los fluidos de perforación y lamayoría de los materiales encontradosen la naturaleza son mezclas.

Los materiales homogéneos(substancias puras) se encuentranocasionalmente en la naturaleza, peroson generalmente fabricados medianteun tratamiento para separar materialesdistintos o eliminar las impurezas. Lassubstancias puras pueden seridentificadas porque son homogéneasy tienen una composición uniforme,

La químicaes el estudiode lamateria…

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Química BásicaCAPÍTULO

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independientemente de la manera enque estén subdivididas o de los lugaresdonde se encuentren.

Las substancias puras pueden serseparadas en dos categorías distintas:

• Elementos• CompuestosLos elementos no pueden ser

separados (descompuestos) osubdivididos en substancias mássimples mediante el uso de métodosquímicos corrientes. Los elementosconstituyen los componentes básicosde todas las substancias y tienenpropiedades exclusivas. Loscompuestos pueden ser reducidos endos o más substancias más simples(elementos o grupos de elementos).

Una substancia pura es un compuestosi puede ser subdividida en por lomenos dos elementos. Todos loscompuestos están formados por lacombinación de dos o más elementos.Si una substancia pura no puede serseparada en dos o más elementos, setrata de un elemento.

Resulta práctico designar a unelemento con una abreviatura llamadasímbolo, en vez de usar el nombrecompleto. La Tabla 1 contiene elnombre químico, el símbolo, el pesoatómico y la valencia común (cargaeléctrica) de los elementos de mayorinterés para la industria de fluidos deperforación.

Elemento Símbolo Peso Atómico Valencia Común

Aluminio Al 26,98 3+

Arsénico As 74,92 5+

Bario Ba 137,34 2+

Boro B 10,81 3+

Bromo Br 79,90 1-

Cadmio Cd 112,40 2+

Calcio Ca 40,08 2+

Carbono C 12,01 4+

Cesio Cs 132,91 1+

Cloro Cl 35,45 1-

Cromo Cr 52,00 6+

Cobre (cuprium) Cu 63,55 2+

Flúor F 19,00 1-

Hidrógeno H 1,01 1+

Yodo I 126,90 1-

Hierro (ferrum) Fe 55,85 3+

Plomo (plumbum) Pb 207,19 2+

Litio Li 6,94 1+

Magnesio Mg 24,31 2+

Manganeso Mn 54,94 2+

Mercurio (hydrargyrum) Hg 200,59 2+

Níquel Ni 58,71 2+

Nitrógeno N 14,00 5+

Oxígeno O 16,00 2-

Fósforo P 30,97 5+

Potasio (kalium) K 39,10 1+

Silicio Si 28,09 4+

Plata (argentum) Ag 107,87 1+

Sodio (natrium) Na 22,99 1+

Azufre S 32,06 2-

Estaño (stannum) Sn 118,69 2+

Titanio Ti 47,90 4+

Zirconio Zr 91,22 4+

Cinc Zn 65,37 2+

Tabla 1: Elementos comunes.

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Loselementos nopueden serseparados osubdivididosensubstanciasmássimples…

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Toda materia se compone de unidadesdiscretas llamadas átomos. El átomo esla unidad más pequeña en que unelemento puede ser dividido,manteniendo las propiedades químicasque le son exclusivas. Los átomos sonlos componentes básicos de todamateria; éstas son las unidades máspequeñas de un elemento que puedencombinarse con los átomos de otroelemento. Los átomos de diferenteselementos tienen distintaspropiedades. Los átomos no soncreados ni destruidos durante lasreacciones químicas.

Los átomos contienen tres partículassubatómicas:• Protones• Neutrones• Electrones

El átomo tiene dos zonas distintas:un núcleo pequeño y denso quecontiene los protones y neutrones,rodeado por una nube difusa deelectrones. El tamaño de un átomodepende casi totalmente de la cantidadde volumen ocupado por la nube deelectrones del átomo, mientras queprácticamente toda la masa estáubicada en el núcleo (ver la Figura 1).

El núcleo es aproximadamenteesférico, con un diámetro de 10-4

angstrom (Å) o 10-14 m, y contienesolamente protones y neutrones. Unprotón tiene una carga positivamientras que un neutrón no tieneninguna carga.

La nube de electrones, o capaelectrónica, también esaproximadamente esférica, con undiámetro de 1 Å o 10-10 m, y sólocontiene electrones, los cualesgravitan alrededor del núcleo de lamisma manera que un sistema solaren miniatura. Un electrón tiene unacarga negativa de fuerza igual a lacarga positiva de un protón. En losátomos de carga neutra (sin valencia),el número de electrones es igual alnúmero de protones, de manera quela carga neta del átomo sea neutra.

Algunos átomos pueden ganar operder electrones de manera que seforma un átomo cargado, llamado ion.Cuando se pierde un electrón, el átomoadquiere una carga positiva. Un ion decarga positiva se llama catión.Similarmente, cuando el átomo ganaun electrón, se forma un “anión” decarga negativa. Similarmente, cuando elátomo gana un electrón, se forma un“anión” de carga negativa.

La masa de un protón o de unneutrón es aproximadamente 1.837veces más grande que la masa de unelectrón. Debido a esta enormediferencia de masa, la masa de losprotones y neutrones en el núcleoconstituye la masa total aproximada delátomo (ver la Tabla 2).

Estructura atómica

Nube difusa de electrones ligeros (-) gravitando alrededor delnúcleo en capas electrónicas estructuradas.

El núcleo es compacto y denso, y contiene protones pesados (+) yneutrones (neutros).

Figura 1: Estructura atómica.

Tabla 2: Masa y carga de las partículas subatómicas.

Partícula Carga Masa (g)

Protón Positiva (1+) 1,6724 X 10 –24

Neutrón Ninguna (neutra) 1,6757 X 10 –24

Electrón Negativa (1-) 0,000911 X 10 –24

Los átomosson loscomponentesbásicos detodamateria…

La masa deun protón ode unneutrón esaproximadamente 1.837veces másgrande que lamasa de unelectrón.


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El núcleo de un átomo es muydenso; aproximadamente 1.770toneladas/pulg.3 (98.000 kg/cm3). Lanube de electrones tiene un diámetro10.000 veces más grande que eldiámetro del núcleo. El mayorvolumen de la nube de electrones debaja densidad compensa la altadensidad del núcleo a una densidadmedia de 2 a 20 g/cm3.

El elemento más ligero y más simplees el hidrógeno, el cual sólo tiene unprotón en cada núcleo. Los átomos deorigen natural contienen entre 1 y 93protones en su núcleo. Los átomos máspesados, con aún más protones, hansido creados en laboratorios pero soninestables y no son de origen natural.Todos los átomos que tienen el mismonúmero de protones en sus núcleostienen propiedades químicas idénticas yson llamados elementos. Existen 92elementos de origen natural que, envarias combinaciones, forman elmundo físico.

El número de protones (p+) en elnúcleo es usado para definir cadaelemento y se llama “número atómico”(z). El hidrógeno, con un solo protón,tiene un número atómico de 1. Lasuma del número de protones yneutrones (n) en el núcleo de unátomo se llama el “número de masaatómica” (a), a = p+ + n.

Cada elemento puede tener variasestructuras atómicas llamadas isótopos,cada una con un número diferente deneutrones en su núcleo,proporcionándole a cada uno un pesoatómico diferente. Aunque estosisótopos de un elemento tengandiferentes pesos atómicos, tendránpropiedades químicas idénticas yformarán compuestos que tienen lasmismas propiedades. Los isótopos seescriben con el número atómico (z)como subíndice delante del símboloquímico y el número de masaatómica (a) como supraíndice (z

aX). Elhidrógeno tiene tres isótopos. El isótopomás común del hidrógeno no tieneningún neutrón en su núcleo (1

1H), elsegundo isótopo más común tiene unneutrón (1

2H) y el tercer isótopo contienedos neutrones (1

3H). Todos estos isótoposcontienen un solo protón en el núcleo.

La escala de masa atómica es unaescala de masa relativa basada en la

masa del isótopo de carbono, 612C, el

cual tiene una masa de exactamente12,0 unidades de masa atómica (amu).Esta escala se usa para simplificar laexpresión de valores de masa tanpequeños para cada isótopo de cadaelemento. La masa de un neutrón, oun protón, es más o menos igual a 1unidad de masa atómica (amu).

El peso atómico de un elemento esigual al promedio ponderado de lamasa de todos los isótopos delelemento en la escala de peso atómico.Por ejemplo, los tres isótopos delhidrógeno, 11H, 12H y 13H, tienen masasde 1,0078, 2,0140 y 3,01605 unidadesde masa atómica, respectivamente. Lafracción de cada isótopo que es deorigen natural es 0,99985, 1,5 x 10-4 y10 –11. Por lo tanto, el peso atómico delhidrógeno es: (0,99985) 1,0078 + (1,5 x10-4) 2,0140 + 10-11 (3,01605) = 1,0079.

Algunas combinaciones de neutronesy protones no son estables en elnúcleo de un átomo. Estos núcleosinestables se descomponennaturalmente, o “se desintegran”,formando átomos de elementostotalmente diferentes. Esta“desintegración” es una reacciónnuclear (física) que no supone ni unareacción química con el oxígeno niuna actividad biológica normalmenteasociada con la desintegraciónquímica. Los isótopos sometidos a ladesintegración nuclear son calificadosde radioactivos. Cuando un átomo sedesintegra, el átomo libera partículassubatómicas y energía (radioactividad).La radioactividad se usa ampliamentepara la evaluación analítica enlaboratorio de los productos químicosy minerales. Algunos registros deevaluación del pozo usan una fuenteradioactiva o la radiación de fondonatural para identificar y evaluar lasformaciones y los fluidos de lasformaciones.

Los átomos de un elemento formanun enlace con los átomos de otroselementos para formar compuestos, yasea transfiriendo electrones (enlaceiónico) o compartiendo electrones(enlace covalente). El enlace es lacombinación de fuerzas atractivasentre átomos que los hace actuar comoun compuesto o una unidad. Lamanera en que el enlace ocurre trae

El elementomás ligero ymás simple esel hidrógeno...

Cadaelementopuede tenervariasestructurasatómicasllamadasisótopos…

Nombre Fórmula Nombre Común

Nitrato de plata AgNO3 —

Óxido alumínico Al2O3 Alúmina

Sulfato bárico BaSO4 Barita

Carbonato bárico BaCO3 Witherita mineral

Hidróxido bárico Ba(OH)2 —

Hidróxido de calcio Ca(OH)2 Cal hidratada

Sulfato de calcio CaSO4 Anhidrita(anhidro)

Sulfato de calcio CaSO4 • 2H2O Yeso(hidratado)

Carbonato de calcio CaCO3 Caliza, mármol, calcita

Cloruro de calcio CaCl2 —

Óxido de calcio CaO Cal viva, cal caliente

Ácido clorhídrico HCl Ácido muriático

Óxido de H2O Aguahidrógeno

Ácido sulfúrico H2SO4 —

Sulfuro de H2S —hidrógeno

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CAPÍTULO

4A

importantes consecuencias para laspropiedades físicas de un compuesto.

Dos o más elementos puedencombinarse para formar uncompuesto. Los elementos de uncompuesto están ligados por suselectrones comunes. Los compuestostienen diferentes propiedades químicasy físicas respecto a los elementos quelos componen. Por ejemplo, tanto elhidrógeno y el oxígeno son gases bajocondiciones estándar, pero cuando secombinan para formar agua, existenen forma de líquido. La Tabla 3enumera el nombre químico, lafórmula y el nombre común de loscompuestos más comunes utilizadosen la industria de fluidos deperforación.

La unidad más pequeña en que sepuede dividir un compuesto es lamolécula, una combinación de átomosfuertemente ligados. Las moléculas secomponen de dos o más átomosenlazados químicamente. Los átomosde una molécula siempre se combinan

según proporciones particulares y conorientaciones específicas. Lasmoléculas no se pueden dividir enunidades más pequeñas y siguenmanteniendo las propiedades químicasexclusivas del compuesto.

Se puede describir la composición deun compuesto mediante una simplefórmula química que usa los símbolosatómicos y los subíndices que indicanel número de cada átomo contenidoen la molécula más simple. Porejemplo, la más pequeña partícula deldióxido de carbono es una moléculacon un átomo de carbono enlazadocon dos átomos de oxígeno y puedeser representada por la fórmulaquímica CO2.

Los grupos de átomos enlazadostambién pueden ser iones (ionespoliatómicos). Por ejemplo, el ionhidroxilo, OH-, es un anión con unacarga 1- neta, o un electrón adicional.El ion amónico, NH4

+, es un catiónpoliatómico con una carga 1+.

Nombre Fórmula Nombre Común

Óxido de magnesio MgO Óxido de magnesio

Hidróxido Mg(OH)2 —de magnesio

Ácido nítrico HNO3 Agua fuerte

Cloruro de potasio KCl Muriato de potasa

Hidróxido de sodio NaOH Soda cáustica

Bicarbonato Bicarbonato de sodio NaHCO3 de sodio

Cloruro de sodio NaCl Sal

Carbonato de sodio Na2CO3 Carbonato de sodio

Sulfato de sodio Na2SO4•10H2O Torta de sal,sal de Glauber

Pirofosfato Na2H2P2O7 SAPPácido de sodio

Tetrafosfato Na6P4O13 Phosde sodio

Dióxido de silicio SiO2 Cuarzo, sílice

Carbonato ZnCO3 —de cinc

Sulfuro de cinc ZnS —

Óxido de cinc ZnO —

Tabla 3: Compuestos comunes.

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Dos o máselementospuedencombinarsepara formaruncompuesto.


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La valencia de un elemento o ion es elnúmero de electrones que el elementoo ion puede adquirir, perder ocompartir para convertirse en uncompuesto estable de carga neutra. Elátomo de hidrógeno ha sido tomadocomo referencia y tiene un enlacepositivo, o una valencia de 1+. Lavalencia determina los elementos oiones que se combinarán y laproporción en que se combinarán.

Por ejemplo, un átomo de cloro (Cl)se combina con un átomo dehidrógeno (H, valencia de 1+) paraformar ácido clorhídrico (HCl); por lotanto, el cloro debe tener una valenciade 1-. Un átomo de oxígeno (O) secombina con dos átomos de hidrógenopara formar agua (H2O); por lo tanto eloxígeno tiene una valencia de 2-. Unátomo de sodio (Na) se combina conun átomo de cloro (Cl, valencia de 1-)para formar sal (NaCl); por lo tanto elsodio debe tener una valencia de 1+.Un átomo de calcio (Ca) se combinacon dos átomos de cloro para formarcloruro de calcio (CaCl2); por lo tantoel calcio debe tener una valencia de 2+.Siguiendo este mismo razonamiento, lavalencia de K en KCl también debe serde 1+. Si consideramos el compuestoH2SO4, podemos ver que la valencia delgrupo o ion sulfato (SO4) debe ser de 2-,ya que hay dos átomos de hidrógeno.Se toma el ion sulfato (SO4

2-) comounidad completa. En el caso de la sodacáustica (NaOH), como Na tiene unavalencia de 1+, el ion hidroxilo (OH)debe tener una valencia de 1-. Para elhidróxido de calcio (cal), como elcalcio tiene una valencia de 2+ y el ionhidroxilo una valencia de 1-, entoncesel compuesto Ca(OH)2 debe tener dosiones hidroxilo. Muchos elementos,tales como el hierro, cromo, níquel,

cloro y azufre, pueden tener variasvalencias. La valencia también se llamafrecuentemente “estado de oxidación”(tal como aparece más adelante en laTabla 5). La Tabla 4 proporciona unalista de elementos e iones comunes(grupos), con sus respectivos símbolosy valencias.

Valencia

Elemento Símbolo Valencia

Hidrógeno H 1+

Oxígeno O 2-

Potasio K 1+

Sodio Na 1+

Calcio Ca 2+

Magnesio Mg 2+

Aluminio Al 3+

Cinc Zn 2+

Hierro Fe 3+, 2+

Plata Ag 1+

Carbono C 4+

Fósforo P 5+

Azufre S 2+,4+,6+

Cloro Cl 1-,1+,3+,5+,7+

Ion o Grupo Símbolo Valencia

Hidróxido OH 1-

Óxido O 2-

Carbonato CO3 2-

Bicarbonato HCO3 1-

Sulfato SO4 2-

Sulfito SO3 2-

Sulfuro S 2-

Nitrato NO3 1-

Nitrito NO2 1-

Fosfato PO4 3-

Amonio NH4 1+

Acetato C2H3O2 1-

Formiato CHO2 1-

Tiocianato SCN 1-

Tabla 4: Símbolos comunes y valencia.

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La valenciadeterminalos elementoso iones quesecombinarány laproporciónen que secombinarán.

Química Básica


CAPÍTULO

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Los electrones gravitan alrededor delnúcleo de un átomo en agrupacionesordenadas llamadas capas electrónicas.Cada capa electrónica sólo puedecontener un número máximo específicode electrones. La primera órbita o capaelectrónica no debe contener más dedos electrones, y en general, cada capaelectrónica subsiguiente no puedecontener más de ocho electrones. Cadacapa electrónica subsiguiente tiene unaórbita de mayor diámetro. Las capaselectrónicas completamente llenadasforman estructuras estables (menosreactivas), es decir que tienen tendencia

a no aceptar o ceder electrones. Engeneral, los átomos individuales tieneninicialmente una carga eléctricaequilibrada (con el mismo número deelectrones y protones), pero puedenceder o aceptar electrones para llenar lascapas electrónicas. La órbita exterior esdesignada como la órbita de electronesde valencia (capa de valencia), porquedetermina la valencia que un átomotendrá. La disposición de los elementosllamada “Tabla Periódica” alinea loselementos que tienen el mismo númerode electrones en la “capa de valencia”,en columnas (ver la Tabla 5).

Capa Electrónica

Como lo muestra la Figura 2, el sodioy el cloro forman un compuesto decloruro de sodio cuando el sodiopierde y el cloro adquiere un electrón(llamado enlace iónico) para formarcapas electrónicas exteriores llenas. Elátomo de sodio (número atómico 11)tiene 11 protones y 11 electrones; porlo tanto, los 11 electrones estándispuestos de la siguiente manera: dosen la primera capa, ocho en lasegunda capa y un solo electrón en latercera capa. El electrón único de la“capa de valencia” exterior hace queel sodio esté dispuesto a ceder unelectrón al ser combinado con otrosátomos para formar una estructuraestable con su última capa llena. Si sepierde un electrón (1-), el sodio seconvierte en un ion con una carga ovalencia de 1+.

El átomo de cloro (número atómico17) tiene 17 protones y 17 electrones.Los electrones están dispuestos condos en la primera capa, ocho en lasegunda capa y siete en la terceracapa. Los siete electrones de la “capade valencia” exterior hacen que elcloro esté dispuesto a adquirir unelectrón para llenar su última capa. Sise adquiere un electrón, el cloro seconvierte en un ion con una carga ovalencia de 1-. Por lo tanto, lacombinación de un átomo de sodio y

Enlace Iónico

Átomo de sodio Átomo de cloro

11+ 17+

capa exterior capa exterior de 1 electrón de 7 electrones

Átomos neutros

11+ 17+

Transferencia de un electrón

11+ 17+

+ –

Ion Na+ Ion Cl–Cada átomo tiene 8 electrones en la capa exterior

Compuesto de cloruro de sodio

Enlace iónico

Electróntransferido

Figura 2: Capas electrónicas y enlace iónico.

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La órbitaexterior esdesignadacomo laórbita deelectrones devalencia(capa devalencia)...


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1a2a

3b4b

5b6b

7b8

1b2b

3a4a

5a6a

7a0

1+1

H-1

1,00

8

5859

6061

6263

6465

6667

6869

7071

*Lan

táni

dos

CePr

NdPm

SmEu

GdTb

DyHo

ErTm

YbLu

9091

9293

9495

9697

9899

100

101

102

103

**Ac

tínid

osTh

PaU

NpPu

AmCm

BkCf

EsFm

Md

NoLr

20

He 4,00

260

4+2

Be 9,01

218

5+3

B 10,8

1

6+2

C+4 -4

12,0

11

7+1

N+2 +3 +4 +5 -1

14,0

067

-2 -3

17+1

Cl

+5 +735

,453

-1

180

Ar 39,9

48

11+1

Na 22,9

898

12+2

Mg

24,3

05

19+1

K 39,1

02

37+1

Rb 85,4

67

55+1

Cs 132,

9055

87+1

Fr (223

)

88+2

Ra (226

)

89**

+3Ac (2

27)

104

105

56+2

Ba 137,

34

57*

+3La 13

8,90

55

72+4

Hf 178,

49

73+5

Ta 180,

947

74+6

W 183,

85

75+4

Re+6 +7

186,

2

76+3

Os+4

190,

2

77+3

Ir+4

192,

22

78+2

Pt+4

195,

09

79+1

Au+3

196,

9665

80+1

Hg+2

200,

59

81+1

Tl+3

204,

37

82+2

Pb+4

207,

2

83+3

Bi+5

208,

9806

84+2

Po+4

(209

)

85 At (210

)

860

Rn (222

)

38+2

Sr 87,6

2

39+3

Y 88,9

059

40+4

Zr 91,2

2

41+3

Nb+5

92,9

064

42+6

Mo

95,9

4

43+4

Tc+6 +7

98,9

062

44+3

Ru 101,

07

45+3

Rh 102,

9055

46+2

Pd+4

106,

4

47+1

Ag 107,

868

48+2

Cd 112,

40

49+3

In 114,

82

50+2

Sn+4

118,

69

51+3

Sb+5 -3

121,

75

52+4

Te+6 -2

127,

60

53+1

I+5 +7

126,

9045

-1

540

Xe 131,

30

20+2

Ca 40,0

8

21+3

Sc 44,9

559

22+2

Ti+3 +4

47,9

0

23+2

V+3 +4

50,9

41+5

24+2

Cr+3 +6

51,9

96

50+2

Sn+4

118,

69 25+2

Mn

+3 +454

,938

0+7

26+2

Fe+3

55,8

47

27+2

Co+3

58,9

332

28+2

Ni+3

58,7

1

29+1

Cu+2

63,5

46

30+2

Zn 65,3

7

31+3

Ga 69,7

2

32+2

Ge+4

72,5

9

33+3

As+5 -3

74,9

216

34+4

Se+6 -2

78,9

6

35+1

Br+5 -1

79,9

04

360

Kr 83,8

0

13+3

Al 26,9

815

14+2

Si+4 -4

28,0

86

15+3

P+5 -3

30,9

738

16+4

S+6 -2

32,0

6

8-2

O 15,9

994

9-1

F 18,9

984

100

Ne 20,1

7

3+1

Li 6,94

Tabl

a 5:

Tabl

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Peso

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o

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dos

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Grup

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Elem

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ón

Química Básica


CAPÍTULO

4A

un átomo de cloro forma elcompuesto estable de cloruro desodio, NaCl. El único electrón devalencia de sodio es transferido delátomo de sodio a la capa exterior delátomo de cloro.

¿Por qué el sodio cede su electrón yel cloro lo acepta? La teoríarelacionada con el comportamientode los átomos supone que cada átomoprocura lograr una capa electrónicaexterior llena con ocho electrones.Para los átomos que tienen uno, dos ytres electrones de valencia es más fácilceder electrones, mientras que paralos átomos que tienen cuatro, cinco,seis y siete electrones de valencia esmás fácil aceptarlos. En el caso delsodio y del cloro, el sodio cede unelectrón, resultando en una carga netade +1, y el cloro acepta un electrón,resultando en una carga neta de 1.Con estos cambios, ninguno de los

átomos es considerado como neutro.El átomo de sodio se ha convertido enun ion con una carga positiva (escritoNa+) y el átomo de cloro se haconvertido en un ion con una carganegativa (escrito Cl-).

La transferencia de electrones y laformación de iones son confirmadaspor el hecho que el NaCl derretido esconductor de electricidad, y cuandose aplica una corriente a la salderretida, metal de sodio se acumulaen el polo negativo de la celda(cátodo) y cloro se acumula en el polopositivo (ánodo). Por lo tanto, el ionsodio es el catión y el ion cloruro es elanión. Al escribir el nombre de uncompuesto, se suele escribir primeroel catión. Como el sodio cede unelectrón, se dice que eselectropositivo, y como cede esteelectrón con facilidad, se dice que esfuertemente electropositivo.

Enlace Covalente

El intercambio de pares de electronespara formar enlaces entre átomos sellama enlace covalente. A diferenciadel cloruro de sodio en el cual seproduce una transferencia deelectrones (enlace iónico), el enlacecovalente es el intercambiosimultáneo de electrones. Tanto elagua como el gas de hidrógeno sonbuenos ejemplos de compuestos conenlaces covalentes (ver la Figura 3).En una molécula de agua, cada unode los dos átomos de hidrógenocomparte un electrón con los seiselectrones de la segunda capaelectrónica del oxígeno, para llenarlacon ocho electrones. Asimismo, cadaátomo de hidrógeno en una moléculade agua comparte uno de los seiselectrones de la segunda capaelectrónica del átomo de oxígeno parallenar su primera capa electrónica condos electrones. Los compuestos queson objeto de un alto nivel deintercambio de electrones tienen altasfuerzas interatómicas y bajas fuerzasintramoleculares. En general, las bajasfuerzas intramoleculares no son

suficientes para mantener unaestructura rígida. Por ese motivo, loscompuestos con enlaces covalentessuelen ser líquidos y gases.Enlace de hidrógeno: Algunoscompuestos covalentes tienen unintercambio incompleto del electrónen el enlace. Esto resulta en cargaspositivas y negativas parciales en losátomos dispuestos de una manera quepolariza la molécula. Por ejemplo, enel agua (H2O), los dos átomos dehidrógeno permanecen parcialmentepositivos y el átomo de oxígenopermanece parcialmente negativo. Lascargas negativas del oxígeno dominanun lado de la molécula, mientras quelas cargas positivas de los átomos dehidrógeno dominan el otro lado,formando una molécula polar (ver laFigura 4). Los átomos de hidrógenode las moléculas de agua son atraídospor los átomos de oxígeno de otrasmoléculas de agua cercanas. Estaatracción entre el polo positivo dehidrógeno de una molécula y el polonegativo de oxígeno de otra moléculase llama enlace de hidrógeno. Se

Para losátomos quetienen uno,dos y treselectrones devalencia esmás fácilcederelectrones…

…el enlacecovalente eselintercambiosimultáneode electrones.

Agua:2 átomos de hidrógeno Átomo de oxígeno Se combinan para formar Agua (H2O)

Enlace covalente

Intercambio de electrones

Enlace covalente

Intercambio deelectrones

Capa electrónicaexterior con 1

electrón

Capa electrónica exterior con 6 electrones

Gas de hidrógeno:2 átomos de hidrógeno Se combinan para formar Gas de hidrógeno (H2)

Cada átomo tiene una capaelectrónica llena

1+ 1+

1+1+

1+ 1+ 1+ 1+

8+ 8+

Figura 3: Enlace covalente de agua y gas de hidrógeno.


4A


estima que las fuerzas de enlace dehidrógeno sólo constituyen undécimo a un treintavo de las fuerzasdel enlace covalente. Estos enlacesdébiles alternan fácilmente entre lasmoléculas y cambian de asociación, esdecir, formando y rompiendo enlacesentre las moléculas cercanas.

El sulfuro de hidrógeno (H2S) es ungas, aunque se trate de una moléculamás pesada que el agua (H2O), porquela distribución de la carga no es polar.Los dos átomos de hidrógeno sólotienen una carga positiva débil y elazufre sólo es débilmente negativo,formando una estructura equilibrada.La ausencia de una estructura polarfuerte permite que las moléculasindividuales se difundan en un gasbajo las condiciones estándar.

La polaridad del agua explicaalgunos de los fenómenos observadosen los fluidos de perforación. Lasarcillas y las lutitas son estructurascomplejas, fuertemente cargadas. Laatracción entre las cargas de lamolécula de agua y los sitios de cargade las laminillas de arcilla resulta en la

Figura 4: Molécula polar y enlace de hidrógeno en el agua.

Molécula de agua (H2O)

Orientación de la carga polar

Carga positiva en ellado del hidrógeno

Carga negativa en ellado del oxígeno

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

O2–

O2–

O2–

O2–

O2–

O2–

Atracción entre el lado dehidrógeno positivo y el lado de oxígeno negativo

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La polaridaddel aguaexplicaalgunos de losfenómenosobservados enlos fluidos deperforación.

Química Básica


CAPÍTULO

4A

hidratación de la arcilla. Las arcillastienen una fuerte carga negativa en sugran superficie planar y cargaspositivas a lo largo de sus bordes finos.El lado de hidrógeno positivo de lamolécula de agua es atraído por lagran superficie negativa de la arcilla yformará un enlace de hidrógeno conésta. Esta adsorción de agua puedetener un espesor de varias capas,esparciendo e hinchando las capasadyacentes de arcilla (ver la Figura 5).El intercambio catiónico (intercambiode cationes con enlaces iónicos)dentro de una arcilla puede desplazarel agua de hidratación y flocular laspartículas de arcilla, porque susenlaces son más fuertes que losenlaces débiles de hidrógeno del agua.

Muchos compuestos contienenenlaces covalentes y enlaces iónicos.El carbonato de sodio (Na2CO3) es unejemplo de un compuesto quecontiene enlaces covalentes y enlacesiónicos. Los enlaces entre el carbono yel oxígeno en el grupo de carbonato(CO3

2-) son covalentes (intercambio deelectrones), mientras que los enlacesentre el ion sodio (Na+) y el grupo decarbonato son iónicos (transferenciade electrones). Cuando el carbonatode sodio se disuelve, el sodio se disociadel grupo de carbonato, mientras queel carbono y el oxígeno del grupo decarbonato siguen funcionando comouna sola unidad. El enlace iónico estan fuerte como el enlace covalente, yambos son mucho más fuertes que elenlace de hidrógeno.

OSi

O

Al

O

Si

+

OH

O

OSi

O

Al

O

Si

+

O

OSi

O

Al

O

Si

+

OH

O

OSi

O

Al

O

Si

+

O

OSi

O

Al

O

Si

+

OH

O

OSi

O

Al

O

Si

+

O

OSi

O

Al

O

Si+

OH

O

Si

O

Al

O

Si

+

OH OHOH OH OH

O

O

H

H

H

H

O

O

O

H

H

H

H

O

O

O

H

H

H

H

O

O

O

H

H

H

H

O

H

H

O

O

H

H

H

H

O

O

O

H

H

H

H

O

O

O

H

H

H

H

O

O

O

H

H

H

H

O

H

H

+

–O

O–

+

Agua conenlace dehidrógeno

Capa de sílice

Capa dealúmina

Capa de sílice

Agua conenlace dehidrógeno

Figura 5: Hidratación de la arcilla por el agua a través del enlace de hidrógeno.

Compuestos

Un compuesto es una substanciacompuesta por elementos enproporciones definidas. La sal comúnes un compuesto iónico; se puededescomponer en los elementos sodio(Na) y cloro (Cl). Las siguientes reglasaplican a todos los compuestos:

• La composición de un compuestosiempre es la misma; es definida yprecisa.

• Los elementos pierden su identidad(sus propiedades exclusivas) cuandoson combinados para formar uncompuesto.

• Un compuesto es homogéneo.

El enlaceiónico es tanfuerte comoel enlacecovalente, yambos sonmucho másfuertes que elenlace dehidrógeno.

Arc

illa


4A


Como un compuesto específico siemprecontiene los mismos elementoscombinados precisamente según lamisma proporción, su composiciónpuede ser representada por unafórmula. La fórmula de un compuestorepresenta una molécula delcompuesto.

Los átomos y compuestos químicosno forman ni reaccionan con una solamolécula a la vez. En cambio,millones de moléculas y átomos estánreaccionando simultáneamente.Debido a su pequeño tamaño, esimposible contar el número deátomos involucrados en las reaccionesquímicas. Se usa el peso para medir lacantidad de productos químicosinvolucrados en las reaccionesquímicas. Como un átomo de sodiopesa 22,99 amu y un átomo de cloropesa 35,45 amu, entonces en base a laproporción, los átomos en 22,99 g desodio deberían combinarse con elnúmero exacto de átomos en 35,45 gde cloro para formar la sal. Esteprincipio de proporción es eficaz concualquier unidad de medida – gramos,libras, kg, toneladas, etc. – pero elgramo es la unidad de medida que seusa más comúnmente. Cuando estáexpresado en gramos, el peso atómicocorresponde a 6,023 x 1023 átomos.Esta cantidad es el peso molecular deun “átomo-gramo” o “mol”.

Un mol es una unidad de medidacuantitativa que contiene el númeroexacto de átomos, moléculas ounidades de fórmula que tienen unamasa en gramos igual al pesoatómico, molecular o de fórmula. Unmol de un elemento contiene elmismo número de unidades químicas(átomos, moléculas o unidades) que lacantidad exacta de 12 g de carbono12, o el número de Avogadro; 6,023 x1023 de unidades químicas. Un usocomún del mol es el peso de fórmulaexpresado en gramos. Para NaCl (sal),el peso de fórmula es 58,44, por lotanto un mol de cloruro de sodio seríade 58,44 g.

El número de átomos de unelemento en la fórmula de uncompuesto es igual al número demoles de ese elemento que sonnecesarios para constituir un mol delcompuesto. En el agua, dos moles dehidrógeno reaccionan con un mol deoxígeno para formar un mol de agua.En base al peso, el hidrógeno (pesoatómico de 1,01) se combina con eloxígeno (peso atómico de 16,00)según la proporción de 2,02 g dehidrógeno a 16,00 g de oxígeno; esdecir, una proporción de dos moles dehidrógeno a un mol de oxígeno. Porlo tanto, la fórmula es H2O.

El carbono (peso atómico de 12,01)se combina con el oxígeno según laproporción de 12,01 g de carbono a32,00 g de oxígeno, para formardióxido de carbono. Por lo tanto, lafórmula es CO2. El subíndice 2 serefiere solamente al oxígeno, ysignifica que hay dos átomos deoxígeno en cada molécula. Quedaentendido que los átomos de unafórmula en la cual no se especificaningún subíndice, tienen unsubíndice de 1.

La suma de los pesos atómicos delos átomos de una fórmula química sellama peso de fórmula. Si la fórmulaquímica de una substancia es lafórmula molecular, el peso de fórmulatambién es el peso molecular. Por lotanto, el peso de fórmula de NaCl es58,44. Este valor se obtiene sumandoel peso atómico del sodio (22,99) conel peso atómico del cloro (35,45).

Un compuesto específico siemprecontiene los mismos elementoscombinados precisamente según lamisma proporción en peso, y lacomposición es representada por lafórmula más simple que describe elcompuesto. CaCl2, Fe2O3 y BaSO4 sonejemplos de fórmulas de compuestos.

Fórmulas

La fórmulade uncompuestorepresentauna moléculadelcompuesto.

La suma delos pesosatómicos delos átomos deuna fórmulaquímica sellama peso defórmula.

Química Básica


CAPÍTULO

4A

La razón por la que los compuestoscontienen proporciones fijas deelementos es que los átomos reaccionancon otros átomos de conformidad consu valencia. Como se indicópreviamente, los átomos reaccionan deconformidad con estas proporciones, enbase a los pesos fijos de cada átomoinvolucrado. La determinación de los

pesos se llama “estequiometría”. Laestequiometría trata sobre lascantidades y proporciones exactas de lassubstancias que reaccionan. Los cálculosestequiométricos permiten determinarel peso y la proporción exacta de losproductos químicos que reaccionarán,de manera que se pueda lograr elresultado deseado.

Estequiometría – Reacciones Estequiométricas

Peso Equivalente

En muchos casos, las pruebas y lasreacciones químicas son realizadas conmateriales desconocidos. Como noconocemos la composición exacta,mucha veces resulta práctico expresarlos resultados en términos de“equivalentes” de un compuestoestándar, en vez de moles. Por ejemplo,en la ingeniería de lodo, valoramos elfiltrado de lodo base agua para medir la“dureza total” y expresamos el resultadocomo si se tratara exclusivamente decalcio. En realidad, esta valoración de ladureza total mide tanto el magnesiocomo el calcio, de manera queexpresamos la dureza total en“equivalentes” de calcio.

El peso equivalente está definidocomo el peso de fórmula de unelemento, compuesto o ion divididopor el número de veces que estáinvolucrado en una reacción específica.Como ejemplo, para los ácidos, elnúmero de átomos de hidrógeno en lafórmula química determina el pesoequivalente. Los ácidos reaccionancediendo protones (iones hidrógeno).Suponiendo que se usa ácido sulfúrico(H2SO4, peso de fórmula de 98) parareducir el pH. La reacción puedeescribirse de la siguiente manera:

H2SO4 + 2OH– → 2H2O + SO42–

Un mol de H2SO4 reacciona con dosmoles de OH-. Desde este punto devista, 1⁄2 mol de ácido sulfúrico esequivalente a un mol de hidroxilo.Para quitar solamente un mol de OH-,se necesita solamente 1⁄2 mol deH2SO4. En base al peso de fórmula,esto corresponde a 98 ÷ 2 ó 49 g. Porlo tanto, el peso equivalente de H2SO4es 49 g. Para consumir la mismacantidad de OH- usando ácidoclorhídrico (HCl, peso de fórmula de36,5) que sólo tiene un átomo dehidrógeno, la reacción se escribiría dela siguiente manera:

HCl + OH– → H2O + Cl–

Como un mol de HCl reacciona conun solo mol de OH-, el pesoequivalente del ácido clorhídrico es supeso de fórmula, 36,5 g. Mediante estemétodo de peso equivalente, 49 g deH2SO4 es equivalente a 36,5 g de HCl.Usando este principio, si una pruebapiloto realizada en el laboratoriodemuestra que se requiere 36,5 lb/bblde HCl para neutralizar un fluido dealto pH, y el equipo de perforaciónsólo tiene H2SO4 disponible, entoncesel fluido también podría serneutralizado con 49 lb/bbl de H2SO4.

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Laestequiometríatrata sobre lascantidades yproporcionesexactas de lassubstanciasquereaccionan.


4A


Una de las primeras etapas incluidasen la determinación de las reaccionesestequiométricas es balancear laecuación química. Las ecuacionesquímicas siempre deben mantener elmismo número de cada átomo enambos lados de la ecuación. Si todoslos reactivos y productos sonconocidos, la mejor manera deproceder consiste en seleccionar unelemento de valencia conocida ybalancear toda la ecuación basándoseen este elemento. Muchos elementospueden tener más de una valencia, locual complica el proceso. Si estápresente, el oxígeno debería ser usadopara balancear la ecuación. La flechao flechas indican las reacciones otransformaciones químicas y deberíanser consideradas como un signo deigual (=) usado en matemática.Consideremos la siguiente ecuacióndesbalanceada que describe lareacción entre el hierro (Fe3+) y eloxígeno (O2-), produciendo óxido dehierro:

Fe3+ + O22– → Fe2

3+O32–

Esta ecuación no está balanceada enlo que se refiere al número de átomoso cargas de valencia. Comenzandocon el oxígeno, la ecuación no estábalanceada porque hay dos átomos deoxígeno en el lado izquierdo y tres enel lado derecho. Primero, balancear elnúmero de átomos de oxígeno, luegolos átomos de hierro. Las cargas devalencia también estándesbalanceadas, con cuatro cargasnegativas (2 x 2-) a la izquierda y seiscargas negativas (3 x 2-) a la derecha.Si se usa un 2 delante del óxido dehierro y un 3 delante del oxígeno, laecuación se convierte en:

Fe3+ + 3O22– → 2Fe2

3+O32–

Ahora, el número de átomos deoxígeno y las cargas negativas estánbalanceados.

Sin embargo, el hierro debe serbalanceado. Como resultado delbalance de los átomos de oxígeno,ahora hay un átomo de hierro a laizquierda y cuatro átomos de hierro (2x 2) [con 12 cargas positivas, 2 x 2 x3+] a la derecha. Para balanceartotalmente la ecuación, debe habercuatro átomos de hierro con 12 cargaspositivas a la izquierda. Si se colocaun 4 delante del hierro, la ecuaciónqueda balanceada:

4Fe3+ + 3O22– → 2Fe2

3+O32–

Desde el punto de vistaestequiométrico, cuatro moles dehierro se combinan con tres moles deoxígeno para producir dos moles deóxido de hierro.

Consideremos el siguiente problema:Usando la reacción anterior, ¿cuántosgramos de oxígeno serían necesariospara reaccionar con 140 g de hierro afin de producir óxido de hierro?

4Fe + 3O2 → 2Fe2O3

4 moles de hierro + 3 moles deoxígeno → 2 moles de óxido de hierro

peso atómico de Fe = 55,85,por lo tanto 4 moles de Fe = 4 x

55,85 = 223,4 gpeso atómico de O ≈ 16,por lo tanto 3 moles de O2 = 3 x 2 x

16 = 96 gComo se usa solamente 140 g de

hierro (no 223,4), la proporción de 140dividido por 223,4 puede sermultiplicada por los 96 g de oxígenopara determinar la cantidad de oxígenonecesaria para reaccionar con 140 g dehierro.

Oxígeno requerido =140 g Fe

223,4 g Fe x 96 g O2 =60,2 g O2

Por lo tanto, se requiere 60,2 g deoxígeno para reaccionar con 140 g dehierro a fin de producir óxido dehierro.

Balancear una Ecuación

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Lasecuacionesquímicassiempredebenmantener elmismonúmero decada átomo...

Química Básica


CAPÍTULO

4A

SOLUCIONES

Si se añade azúcar al agua, ésta sedisuelve, formando una solución deazúcar en agua. La solución eshomogénea cuando no se puedeobservar ninguna partícula de azúcar.El azúcar constituye el soluto; es decirla substancia que se disuelve. El aguaconstituye el solvente; es decir lasubstancia que efectúa la disolución.Pequeñas adiciones de azúcar sedisolverán hasta llegar a un punto enque la solución no es capaz dedisolver cantidades adicionales deazúcar. Esto será indicado por elhecho que los cristales añadidos seacumulan al fondo del vaso sindisolverse, aunque el contenido delvaso se agitara bien. Cuando unasolución ha disuelto todo el solutoque es capaz de disolverse a unatemperatura determinada, se dice quela solución está saturada, y dichacantidad de soluto constituye susolubilidad.

EFECTOS DEL ENLACE

La solubilidad de los compuestos ensolventes polares, como el agua, puedeser generalmente explicada por susenlaces. Los compuestos covalentespolares, como el CO2, songeneralmente solubles en agua.Cuando su atracción a los enlaces dehidrógeno del agua es más fuerte quesu atracción a las cargas de otrasmoléculas del compuesto, lasmoléculas del compuesto se dispersanen la solución. Los compuestoscovalentes no polares, tales como elmetano (CH4), son generalmenteinsolubles en el agua y otros solventespolares, pero suelen ser dispersibles ensolventes no polares, tales como elaceite diesel. Al disolverse, loscompuestos no iónicos estánmolecularmente dispersos, pero noionizados.

Muchos compuestos iónicos sonsolubles en el agua. Si las fuerzas deatracción entre las moléculas del aguay los iones son mayores que lasfuerzas que mantienen los iones en

sus cristales, los iones atraerán una“capa” de moléculas de agua y sesoltarán de su red cristalina, de lamanera ilustrada para el cloruro desodio (ver la Figura 6).

Las sales (compuestos) con cationesmonovalentes (sodio (1+) encarbonato de sodio, Na2CO3) oaniones monovalentes (cloro (1-) encloruro de calcio, CaCl2) songeneralmente solubles en el agua. Lassales de cationes multivalentescombinados con anionesmultivalentes (calcio (2+) y sulfato (2-)[en el yeso CaSO4, por ejemplo]) songeneralmente insolubles o

Solubilidad

H+ H+

H+

H+

H+

H+

H+H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+H+

H+

H+

H+

H+ O2–

O2–

O2–

O2–

O2–

O2–

O2–

O2–

O2–

O2–

O2–

Na+

Cl–

El ion sodio es compacto con enlaces relativamente fuertes con elagua.

El ion cloruro es más grande con enlaces más débiles con el agua.

Figura 6: Ionización del cloruro de sodio en el agua.

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Muchoscompuestosiónicos sonsolubles en elagua.


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moderadamente solubles. Las fuerzasque mantienen unidos a los iones enlas sales de cationes multivalentes yaniones multivalentes sonconsiderablemente más grandes quelas fuerzas que mantienen unidos a losiones en las sales de cationesmonovalentes o anionesmonovalentes.

Los compuestos de enlace iónico sedisuelven o solubilizan en iones,mientras que los compuestos deenlace covalente son solubles comomoléculas. Las salmueras sonsoluciones con una alta concentraciónde sales solubles y son más viscosasque el agua dulce, porque las salesdisueltas reducen el agua libre al atraergrandes capas de agua alrededor deellas, lo cual restringe el movimientolibre del agua. Los compuestos iónicosson generalmente insolubles en lossolventes no polares tales como elaceite diesel.

CUANTIFICACIÓN DE LA SOLUBILIDAD

La cantidad de soluto que se disolveráen una cantidad de solvente paraproducir una solución saturada sellama la solubilidad del soluto en elsolvente. La solubilidad de un sólido,líquido o gas en un líquido estágeneralmente expresada en unidadesde gramos de soluto por 100 g deagua. La Tabla 6 enumera el grado desolubilidad de varios compuestoscomunes utilizados en los fluidos deperforación.

FACTORES QUE AFECTAN A LASOLUBILIDAD

• Temperatura• pH (ácido o básico)• Ambiente iónico (salinidad)• Presión

1. Temperatura. La solubilidadaumenta a medida que la temperaturaaumenta para la mayoría de lossólidos y líquidos. La solubilidad delos gases suele disminuir a medida quela temperatura aumenta.

2. pH. El pH es una medida delcarácter ácido o básico relativo de unasolución (descrito detalladamente másadelante). La solubilidad de muchosproductos químicos depende del pH.Algunos productos químicos, talescomo las sales multivalentes dehidróxido y carbonato, son mássolubles en condiciones ácidas. Otrosproductos químicos sólo son solublesen un rango de pH neutro, mientrasque otros (ácidos orgánicos tales comola lignito y el lignosulfonato) son mássolubles a medida que el pH aumentahasta > 9,5. Los iones calcio y magnesioson solubles a un pH ácido a neutro,pero son menos solubles cuando el pHes alto, de la manera indicada para elcalcio en la Figura 7. A medida queaumentan con el pH, los ioneshidróxido reaccionan con el calcio y elmagnesio para precipitar hidróxido decalcio e hidróxido de magnesio.

Otros compuestos, tales como losiones carbonato y sulfuro, cambian deespecie cuando el pH aumenta. Porejemplo, el CO2, un gas, reacciona conel agua para convertirse en ácidocarbónico a un pH bajo. Reaccionarácon el hidróxido para formar ionesbicarbonatos a un rango de pH neutro,y finalmente iones carbonato a un pHalto (ver la Figura 8).

La solubilidad de muchos productosquímicos del lodo depende del pH de lasolución. Por ejemplo, el lignito y ellignosulfonato no sólo son más solublesa un pH mayor de 9,5, pero productoscomo DUO-VIS®‚ (goma xantana) sonmás eficaces en el rango de 7 a 11 pH.Otros aditivos son sensibles a un pHalto. Productos como POLY-PLUS®‚ (PHPA)se hidrolizan y se vuelven menoseficaces a un pH alto (>10,5). La

Loscompuestosenlazados poriones sedisuelven osolubilizan eniones...

Los fluidos deperforaciónbase aguasongeneralmentemantenidosdentro delrango de 8 a12 pH…

Solubilidad(g por100 g

Compuesto Nombre Común agua)NaOH Soda cáustica 119CaCl2 Cloruro de calcio 47,5NaCl Cloruro de sodio

(sal de cocina) 36KCl Cloruro de potasio 34,7Na2CO3 Carbonato de sodio 21,5NaHCO3 Bicarbonato de sodio 9,6CaSO4 Anhidrita 0,290Ca(OH)2 Cal 0,185MgCO3 Carbonato de magnesio 0,129CaCO3 Caliza 0,0014Mg(OH)2 Leche de magnesio 0,0009BaSO4 Barita 0,0002ZnO Óxido de cinc 0,00016

Tabla 6: Solubilidad de productos químicos comunes.

Química Básica


CAPÍTULO

4A

mayoría de los productos individualesdel lodo tienen un rango de pH óptimopara maximizar el rendimiento. Losfluidos de perforación base agua songeneralmente mantenidos dentro delrango de 8 a 12 pH para mejorar lasolubilidad y el rendimiento de losproductos químicos, así como porrazones de anticorrosión y otras razonesde seguridad. Los ingenieros de lododeberían familiarizarse con estos rangosy mantener el sistema del fluido deperforación dentro del rango de pHóptimo.

3. Ambiente iónico (salinidad). Laconcentración de cloruros, o salinidad,es especialmente importante para laingeniería de lodos. El aumento de lasalinidad aumenta generalmente lasolubilidad de las otras sales y aditivos,y afectará las reacciones químicas talescomo la precipitación. Por ejemplo, elsulfato de calcio (yeso y anhidrita)alcanza su mayor solubilidad en unasolución de sal de 15%, donde escuatro veces más soluble que en elagua dulce.

Esta tendencia disminuye a medidaque la salinidad se acerca al punto desaturación. La cal (hidróxido de calcio)también es más soluble en solucionesde salinidad moderada. Incluso lospolímeros, los cuales son sensibles a laprecipitación por cationes divalentes yotras condiciones, son más estables enambientes salinos. El ambiente iónicodel solvente tiene un gran impacto

sobre las reacciones químicas que seproducirán y la estabilidad de variosproductos.

4. Presión. El aumento de la presiónaumenta la solubilidad de un gas enun líquido, pero no tieneprácticamente ningún efecto sobre lasolubilidad de los líquidos y sólidos.Esta mayor solubilidad del gas esparticularmente importante en lo quese refiere al ambiente químico en elfondo del pozo, donde los gases quehan entrado están sometidos a altaspresiones y pueden ser solubilizados.

La importancia de la solubilidadrelativa de los productos químicos esque, en la solución, el compuesto quetiene la más baja solubilidad será elprimero en precipitarse. Por ejemplo,si se mezcla cloruro de calcio (altasolubilidad) en agua, el cloruro decalcio se ionizaría en iones calcio ycloruro. Luego, si se añade carbonatode sodio (moderadamente soluble),ésta se ionizaría en iones sodio ycarbonato, y el carbonato de calcio(baja solubilidad) se precipitaríainmediatamente debido a la reacciónentre los iones solubles de calcio y losiones solubles de carbonato. Lasolubilidad relativa puede ser usadapara determinar el producto químicoque debe ser añadido para eliminar aun producto químico no deseado. Losdemás iones presentes en el solventeafectan la solubilidad.

1.000900800700600500400300200100

00 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Soda cáustica (lb/bbl)

Cal

cio

del

filt

rado

(m

g/l)

Figura 7: Reducción de la solubilidad del calcio amedida que el pH aumenta.

100

80

60

40

20

0

CO2 CO32-

HCO3-

HCO3- HCO3

-

El aumento de lasalinidad desplazalas curvas hacia la

izquierdaPorc

enta

je

0 2 4 6 8 10 12 14pH

Figura 8: Balance carbonato-bicarbonato.

Ca(OH)2 añadido a lassoluciones de NaOH a 68°F

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…en lasolución, elcompuestoque tiene lamás bajasolubilidadserá elprimero enprecipitarse.


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pHEl valor de pH se usa para describir laacidez o basicidad de las soluciones.El valor de pH se define como ellogaritmo negativo de laconcentración de iones hidrógeno.Bajos valores de pH corresponden auna acidez creciente y altos valores depH corresponden a una alta basicidad.Un cambio de una unidad de pHcorresponde a un aumento de diezveces la concentración de ioneshidrógeno.

El agua es un electrolito débil queexiste en la naturaleza comomoléculas de H2O. Puede ionizarsepara formar iones hidronio (H3O+) ehidroxilo (OH-). La ionización delagua es estadísticamente rara, vistoque sólo una molécula en 556millones se ioniza. El agua está enequilibrio con los iones mencionadosanteriormente, de conformidad con lasiguiente ecuación:

2H2O H3O+ (aq) + OH– (aq)El símbolo (aq) indica que los iones

están disueltos en el agua, formandouna solución acuosa. Como el aguareacciona consigo misma paraionizarse, el proceso se llamaautoionización. Este equilibrio con losiones hidronio e hidróxido sirve debase para la clasificación de los ácidos ylas bases. Los ácidos son substanciasque adquieren iones hidrógeno (H+) aldisolverse en el agua, aumentando laconcentración de hidronio [H3O+]. Laconcentración para diferentes ionesestá indicada por el producto químicomostrado entre corchetes, tal como[H+], para la concentración de ioneshidrógeno.

La expresión de equilibrio para elproceso de autoionización es lasiguiente:

Kw = [H+] [OH–]Este tipo de expresión de equilibrio se

usa frecuentemente para describir lascondiciones de equilibrio de lasespecies químicas relacionadas. A laconstante de equilibrio se le atribuye el

símbolo Kw, donde el subíndice (w) serefiere al agua. A 25ºC, Kw = 1,0 x 10-14,Kw depende de la temperatura(aumenta Kw) y de la concentracióniónica de la solución (salinidad).

Kw, el producto de [H+] y [OH-],permanece constante, siempre que latemperatura sea constante. En unasolución neutra, la concentración dehidrógeno [H+] es igual a laconcentración de hidróxido [OH-]; porlo tanto, cada uno tendría unaconcentración de 1,0 x 10-7, y lasolución tendría un pH 7,0.

Si [H+] aumenta, [OH-] disminuye y lasolución se vuelve más ácida.Asimismo, si [OH-] aumenta, [H+] debedisminuir y la solución se vuelve másbásica.

Los iones H+ (aq) y OH- (aq) siempreestán presentes en las solucionesacuosas que están en equilibrio con elsolvente. Los iones H+ (aq) y OH- (aq)pueden reaccionar con otros iones,afectando a las concentraciones deotros iones en la solución. Por estemotivo, se hacen referencias a lasconcentraciones de H+ (aq) y OH- (aq).Para facilitar esta referencia, lostérminos pH y pOH se definen como:

pH = - log [H+] pOH = - log [OH–]Una relación práctica entre el pH y

el pOH puede ser determinadatomando el logaritmo negativo(indicado por una p) de Kw,resultando en:

pKw = -log Kw = -log [H+] -log [OH–]Usando las definiciones anteriores de

pH y pOH, podemos determinar que, a25ºC:

pKw = pH + pOH como Kw = l,0 x 10 –14, entonces

pKw = - log Kw = 14, cual resulta enpH + pOH = 14

Esta relación de ácidos y bases convalores para pH y [H+] más pOH y[OH-], está ilustrada en la Figura 9.

Nótese que los valores bajos de pHcorresponden a los ácidos y los valoresbajos de pOH corresponden a las

El valor depH se usaparadescribir laacidez obasicidad delassoluciones.

El símbolo(aq) indicaque los ionesestándisueltos enel agua,formandouna soluciónacuosa.

pH y Alcalinidad

Química Básica


CAPÍTULO

4A

soluciones básicas. Un cambio de unaunidad de pH o pOH corresponde a uncambio diez veces más grande de laconcentración molar. Una solución quetiene un pH 2 no es el doble de ácidaque una solución que tiene un pH 4; es100 veces más ácida que una solucióncon un pH 4.

Recordar que el valor de Kw cambiacon la temperatura y la concentracióniónica (salinidad), de manera que esposible que los valores de pH medidoscon una sonda electrónica de pH nosean válidos, a menos que elinstrumento (medidor o sonda) y lamedida sean compensados en base a latemperatura del líquido y la salinidaddel fluido. Las medidas de pH ensoluciones de alta salinidad puedenrequerir el uso de una sonda de pHespecial “compensada por la sal”.

Como se mencionó previamenterespecto a las sales, cuando NaCl (unasal neutra formada por la combinaciónde un ácido fuerte y una base fuerte) sedisuelve en agua, los iones Na+ no secombinan con los iones OH- (parareducir el pH), porque NaOH es unabase fuerte. Asimismo, los iones Cl- nose combinan con los iones H+ (paraaumentar el pH), porque HCl es unácido fuerte. Como resultado, ni losiones H+ ni los iones OH- son eliminadosde la solución, y el pH sigue siendo

neutro. De nuevo, si la sal contiene elcatión de una base fuerte y el anión deun ácido fuerte, la solución seguirásiendo neutra. Sin embargo, si la salcontiene el catión de una base fuerte yel anión de un ácido débil, su soluciónserá básica (aumentando el pH), talcomo ocurre con Na2CO3 (carbonato desodio). En cambio, si la sal contiene elcatión de una base débil y el anión deun ácido fuerte, su solución será ácida(reduciendo el pH). Naturalmente, si seañade un ácido, el pH disminuirá,mientras que si se añade una base a lasolución neutra, el pH aumentará.

ALCALINIDAD

Las valoraciones de alcalinidaddeterminan las concentraciones deOH-, HCO3

- y CO32- midiendo la

cantidad de ácido requerida parareducir el pH. Los boratos, silicatos,fosfatos, sulfatos y ácidos orgánicos(como el lignito) también puedenentrar en la valoración y/o loscálculos del tratamiento, en base a losvalores de alcalinidad. La alcalinidades la potencia de combinación de unabase, medida por la cantidad de ácidoque puede reaccionar para formar unasal. En la ingeniería de lodos, laalcalinidad de fenolftaleína (P) esindicada por el número de milímetrosde H2SO4 0,02 N (lodos base agua)requeridos para valorar un milímetrode filtrado (Pf) o lodo (Pm),reduciendo el pH hasta 8,3. Laalcalinidad de filtrado de anaranjadode metilo (Mf) mide el ácidorequerido para reducir el pH hasta4,3.

La alcalinidad no es lo mismo queel pH, aunque sus valores tiendangeneralmente a seguir la mismadirección. Una base fuerte, tal comola Soda Cáustica, añadida al agua purailustraría esta correlación entre losvalores de valoración de alcalinidad yel pH, como lo indica la Tabla 7; sinembargo, debido a la presencia deHCO3

-, CO32- – así como calcio y

magnesio – en las aguas y los fluidosde perforación del campo petrolífero,no se debería realizar ningunacorrelación.

Figura 9: escala de pH, ácidos y bases.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

1

10–1

10–2

10–3

10–4

10–5

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10–7

10–8

10–9

10–10

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10–12

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10–14

10–14

10–13

10–12

10–11

10–10

10–9

10–8

10–7

10–6

10–5

10–4

10–3

10–2

10–1

1

Ácidos

Neutro

Bases

14

13

12

11

10

9

8

7

6

5

4

3

2

1

0

pH [H+] [OH–] pOH

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Laalcalinidadno es lomismo que elpH…


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Esta tabla ilustra la manera en quebajas concentraciones de soda cáustica(NaOH) en agua pura causan valores depH y alcalinidades del filtradorelativamente altos. Para observar elefecto de un ambiente iónico máscomplejo, comparar la mayor cantidadde soda cáustica requerida paraaumentar el pH en agua salada, de lamanera indicada más adelante en laFigura 10.

Las medidas de alcalinidad (Pf, Mf yotros valores) son usadas para calcularlas concentraciones de hidroxilo,bicarbonato y carbonato, tales como sedescriben en API 13B-1, Sección 8, Tabla8.1, y en el capítulo sobre Pruebas.Como el valor de Mf puede ser unaindicación poco confiable de lacontaminación de bicarbonato si seusan ácidos orgánicos o sales orgánicas(como el lignito o el acetato), otroprocedimiento usa una medida de pH yel valor de Pf para calcular laconcentración de carbonato ybicarbonato. Estos cálculos ayudan amonitorear y determinar lacontaminación de dióxido de carbono,bicarbonato y carbonato. Además, estosvalores le proporcionan al ingeniero delodos un entendimiento más exhaustivodel ambiente iónico y amortiguador delsistema de lodo, más allá de lo que sepuede aprender solamente de un valorde pH.

Tabla 7: Relación entre el pH y la alcalinidad para elagua pura.

NaOH Pf OH–

pH (lb/bbl) (cc 0,02N H2SO4) (ppm)

7 0,0000014 0,000005 0,0017

8 0,000014 0,00005 0,017

9 0,00014 0,0005 0,17

10 0,0014 0,005 1,7

11 0,014 0,05 17

12 0,14 0,5 170

13 1,4 5 1.700

14 14 50 17.000

Los ácidos se pueden describir comosubstancias que tienen un sabor agrio,producen efervescencia al entrar encontacto con carbonatos, cambian arojo el color azul de tornasol yreaccionan con bases, álcalis y ciertosmetales para formar sales. Todos losácidos contienen hidrógeno. Los ácidosson calificados de “fuertes” o “débiles”,según la concentración de ioneshidrógeno (H+) resultante de laionización.

Las bases pueden ser descritas comosubstancias que tienen un saboramargo, una textura “resbaladiza” ensolución, la capacidad de cambiar aazul el papel de tornasol rojo, y lacapacidad de reaccionar con ácidospara formar sales. Las bases noproducen ninguna efervescencia alentrar en contacto con carbonatos. Losácidos reaccionan con las bases paraformar sales. Una base es calificada defuerte o débil según la cantidad de lamolécula que se disocia en ioneshidroxilo (OH-) en la solución.

Tanto los ácidos como las basespueden ser fuertes o débiles, según loselementos contenidos en el compuestoy su valencia.

Las sales son simplementecombinaciones del anión (ionnegativo) de un ácido y el catión (ionpositivo) de una base. Una sal puedeser neutra o tener una tendencia haciala acidez o hacia la basicidad, según lasfuerzas relativas de los iones o gruposrespectivos. Como se mencionóanteriormente, la combinación de unácido débil con una base fuerte formauna sal alcalina, mientras que lacombinación de un ácido fuerte conuna base débil forma una sal ácida, y lacombinación de un ácido fuerte conuna base fuerte forma una sal neutra.La Tabla 8 enumera los ácidos, las basesy las sales más comunes que se usan enlos fluidos de perforación.

Ácidos, Bases y Sales

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Todos losácidoscontienenhidrógeno.

Química Básica


CAPÍTULO

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SOLUCIONES AMORTIGUADORAS

Ciertas soluciones, llamadassoluciones amortiguadoras, resisten agrandes cambios de pH cuando seañade una base o un ácido a unasolución. Muchos líquidos yproductos químicos de tratamientodel lodo usados en el campopetrolífero son solucionesamortiguadoras.

Las soluciones amortiguadoras secomponen generalmente de un ácidodébil y una sal que contienen elmismo anión, o una base débil y unasal que contienen el mismo catión. Laacción amortiguadora de unasolución que se compone de un ácidodébil más una sal del mismo ácidoocurre porque: (1) la base añadidareacciona con el ácido débil paraformar una mayor cantidad del ioncomún, y (2) el ácido añadidoreacciona con el ion común paraproducir el ácido débil. Un ejemplode un ácido débil es el ácidocarbónico (H2CO3). Un ejemplo deuna base débil es el hidróxidoamónico (NH4OH). Si se añade unapequeña cantidad de ácido fuerte, talcomo HCl, al agua pura o a unasolución diluida de ácido en agua, laconcentración de iones hidrógeno(pH) del agua o de la soluciónaumentará considerablemente. Sinembargo, si se añade la misma

pequeña cantidad de ácido a unasolución amortiguadora que contieneun ácido débil y la sal soluble de esteácido, el aumento de la concentraciónde iones hidrógeno (pH) es tan leveque será considerado insignificante aefectos prácticos. Los aniones de la saldel ácido débil aceptaron los iones H+

a medida que se añadían, yreaccionaron con éstos para formaruna cantidad adicional del ácidodébil. El resultado neto es que laconcentración de iones hidrógenocambió muy poco; y el pH tampococambió mucho.

Este fenómeno puede producirsemuy fácilmente cuando el ingenierode lodos está valorando (con unácido) los puntos finales dealcalinidad. En los fluidos quecontienen muchos carbonatos,bicarbonatos e hidróxidos, tan prontocomo los carbonatos se convierten enbicarbonatos, una soluciónamortiguadora empieza adesarrollarse, resistiendo a loscambios de pH.

La trietanolamina, la cal y el óxidode magnesio son productos químicosusados para amortiguar los sistemasde lodo sensibles al pH. Elamortiguamiento puede ser muyventajoso para mantener propiedadesestables de los fluidos y resistir a losefectos perjudiciales de varioscontaminantes.

Tabla 8: Ácidos, bases y sales comunes.

Nombre Químico Nombre Común Fórmula Tipo

Ácido clorhídrico Ácido muriático HCl Ácido (fuerte)

Ácido sulfúrico — H2SO4 Ácido (fuerte)

Ácido nítrico Agua fuerte HNO3 Ácido (fuerte)

Ácido fosfórico Ortofosfórico H3PO4 Ácido (mod. débil)

Ácido carbónico Soda (destellante) H2CO3 Ácido (débil)

Ácido cítrico — H3C6H5O7 Ácido (débil)

Hidróxido de sodio Soda cáustica NaOH Base (fuerte)

Hidróxido de potasio Potasa cáustica KOH Base (fuerte)

Hidróxido de magnesio Hidrato de magnesio Mg(OH)2 Base

Carbonato de sodio Carbonato de sodio Na2CO3 Base (débil)

Hidróxico de calcio Cal apagada Ca(OH)2 Base (fuerte)

Óxido de calcio Cal viva CaO Base (fuerte)

Cloruro de sodio Sal de roca NaCl Sal

Cloruro de potasio Potasa (muriato de) KCl Sal

Cloruro de calcio — CaCl2 Sal

Sulfato de calcio Anhidrita (yeso) CaSO4 ( • 2H2O ) Sal

Muchos líquidos yproductosquímicos detratamiento del lodo usadosen el campopetrolífero sonsolucionesamortiguadoras.


4A


ELECTROLITO

Las substancias cuyas soluciones en aguaconducen la electricidad se llamanelectrolitos y contienen iones positivos ynegativos. Todas las soluciones decompuestos iónicos son electrolitos.Todos los ácidos, bases y sales sonelectrolitos. Los compuestoselectrovalentes son formados por latransferencia de electrones (enlacesiónicos); durante el proceso se produceniones positivos y negativos. Loscompuestos sólidos resultantes (sales ehidróxidos) tienen una estructurareticulada de cristales iónicos. Estosignifica que, en el caso de estoscompuestos electrovalentes, los ionesson formados al mismo tiempo que elcompuesto se forma. Existen antes deque el compuesto se disuelva en el agua.Cuando dicho compuesto se disuelve, lared de cristales iónicos se descompone ylos iones se disocian en la solución; elagua actúa simplemente como unsolvente. Las ecuaciones típicas queilustran la disociación de estos ionespreexistentes son las siguientes:

Sales: NaCl = Na+ + Cl–

(como lo indica la Figura 6)Cal: Ca(OH)2 = Ca2+ + 2OH–

Como la capacidad que una solucióntiene para conducir la electricidaddepende de la presencia de iones, sepuede concluir que las soluciones queson excelentes conductores contienenaltas concentraciones de iones(totalmente ionizadas), mientras que lassoluciones que son mal conductorescontienen bajas concentraciones deiones (no totalmente ionizadas). Loselectrolitos que están totalmenteionizados se llaman electrolitos fuertes,mientras que los que no estántotalmente ionizados se llamanelectrolitos débiles. Con muy pocasexcepciones, las sales son electrolitosfuertes. La mayoría de los hidróxidos(excepto Mg2+) son fuertes electrolitos, yen consecuencia, están clasificadoscomo bases fuertes. Los ácidos comoHCl, H2SO4 y HNO3 son electrolitosfuertes, y por lo tanto, están clasificadoscomo ácidos fuertes; la mayoría de losdemás ácidos son moderadamentedébiles y están clasificados como ácidosdébiles. El agua pura es un electrolitodébil y no es tan conductora como lassoluciones de sales.

La ósmosis es un fenómeno que ocurrecuando dos soluciones conconcentraciones de solutos (salinidad)muy diferentes son separadas por unamembrana semipermeable. Durante laósmosis, se produce un movimientoneto del solvente (agua) a través de lamembrana, desde la solución con laconcentración de solutos más baja(salinidad más baja) hacia la solucióncon la concentración de solutos másalta (salinidad más alta). Por lo tanto, laósmosis tiende a transferir el solventehasta que ambas soluciones tengan unaconcentración de solutos (salinidad)similar. Las fuerzas impulsoras de esteproceso son la diferencia deconcentración de solutos y el carácterde la membrana semipermeable.

La “actividad” de una solución es unamedida de la presión de vapor o“humedad relativa”, y está relacionadacon la concentración de solutos(salinidad). El agua tendría unaactividad de 1,0; la actividad disminuyea medida que la salinidad aumenta.Cuando se perfora en lutitas sensiblesal agua, conviene que el fluido deperforación y la formación tengan unaactividad similar para minimizar latransferencia de agua del fluido deperforación a la formación. Los fluidosbase aceite y base sintético tienen elpotencial de transferir el agua de sufase de agua emulsionada(generalmente la salmuera de clorurode calcio) mediante ósmosis, si suactividad es más alta que la actividadde la formación.

Ósmosis_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

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Todas lassoluciones decompuestosiónicos sonelectrolitos.

Química Básica


CAPÍTULO

4A

Las pruebas químicas realizadas en losanálisis de lodo se llaman valoraciones.Las valoraciones son procedimientosque usan soluciones normales deconcentración conocida (N1) paradeterminar la concentracióndesconocida (N2) de una muestra cuyovolumen es conocido (V2). La ecuaciónbásica para este análisis cuantitativo esla siguiente:

V2 x N2 = V1 x N1Al resolver esta ecuación para for N2,

se obtiene: V1

N2 = V2 x N1

Para un volumen de muestraconocido (V2), si se usa un indicador yse valora con una solución deconcentración conocida (N1), es posibledeterminar la concentracióndesconocida (N2) de la muestra,midiendo el volumen (V1) requeridopara llegar al punto final. Losprocedimientos apropiados estándescritos en el capítulo de Pruebas paramedidas cuantitativas que usansoluciones normales a fin de determinar

los productos químicos importantes.Procurar seguir el procedimiento exacto.También se proporcionan fórmulas quele permitirán al ingeniero hacer loscálculos necesarios sin tener queconvertir las unidades.

INDICADORES

Los productos químicos usados paradeterminar el punto final durante lavaloración se llaman indicadores. Losindicadores son compuestos quecambian de color cuando se producealgún cambio del pH o de laconcentración de un producto químico.Los cambios de color de los indicadoresácido-base ocurren a un valor de pHespecífico. Diferentes indicadorescambian de color bajo condiciones depH ácido, neutro o básico. Se usanindicadores químicos que cambian decolor en la presencia de calcio, clorurosde magnesio y bromuros. La Tabla 9enumera los indicadores más comunesque se usan en el análisis de lodo, conel producto químico de valoración y elcambio de color del indicador bajo unacondición específica.

Valoraciones

Tabla 9: Indicadores comunes.

Indicador Color Original Cambio de Color Valoración Producto Químico de Valoración

Fenolftaleína Rosado/rojo: pH >8,3 Incoloro: pH <8,3 Pm Pf Pom Ácido sulfúrico

Anaranjado de metilo/ Verde: pH >4,3 Amarillo: pH <4,3 Mf Ácido sulfúricoverde de bromocresol

Anaranjado de metilo Amarillo/naranja: pH >4,3 Rosado/rojo: pH <4,3 Mf Ácido sulfúrico

Verde de bromocresol Azul: pH >3,8 Amarillo: pH <3,8 — Ácido sulfúrico

Timolftaleína Incoloro: pH <9,5 Azul: pH >9,5 — Solución cáustica

Rojo de metilo Amarillo: pH >5,4 Rosado/rojo: pH <5,4 PHPA Ácido sulfúrico

Calmagite o manver Rojo tinto: Azul/violeta: Dureza total Versenate Estándar o Negro de Eriocromo T Presencia Ca2+ de Mg2+ Ausencia Ca2+ de Mg2+ (0,01m EDTA)

CalVer II o Calcon Rojo tinto: Azul/violeta: Calcio Versenate Estándar Presencia Ca2+ Ausencia Ca2+ (0,01m EDTA)

Solución de cromato Amarillo Naranja/rojo: Cloruros Solución de nitrato de potasio Exceso de AgNO3 de plata

Las pruebasquímicasrealizadas enlos análisisde lodo sellamanvaloraciones.

Los productosquímicosusados paradeterminar elpunto finaldurante lavaloración sellamanindicadores.


4A


Molalidad (m). Una solución molal esuna solución que contiene un mol desoluto por kilogramo de solvente. Porlo tanto, una solución 1 m (molal) deNaOH corresponde a 40 g de NaOHpor 1.000 g de agua.

Molaridad (M). Una solución quecontiene un mol de soluto por litro desolución se llama solución molar. Por lotanto, el HCl 0,1 M (molar) es un ácidoclorhídrico que contiene 1/10 mol o3,646 g de cloruro de hidrógeno porlitro de solución.

Si se conoce la normalidad (N) (ver acontinuación) de una solución,entonces la molaridad (M) puede sercalculada dividiendo la normalidad porsu valencia positiva neta.

Molaridad = Normalidad ÷ valencia positiva neta

Normalidad (N). Una solución 1,0normal (N) se define como una solucióncon una concentración que contiene 1peso equivalente-gramo de unasubstancia por litro de solución, y seescribe generalmente 1,0 N. Porejemplo, una solución 1,0 N de HCltiene 36,5 g de soluto por litro desolución. Asimismo, una solución 1,0 Nde H2SO4 tiene 49 g de soluto por litrode solución.

Si se conoce la Molaridad (M) de unasolución, la Normalidad (N) puede sercalculada multiplicando la molaridaddel soluto por su valencia positiva neta.

Normalidad = Molaridad x valencia positiva neta

Si la valencia positiva neta es 1, lanormalidad y la molaridad tendrán elmismo valor numérico.

Miligramos por litro (mg/l).Miligramos por litro constituye unarelación peso-volumen. Una soluciónde 100 mg/l contiene 100 mg de solutopor litro de solución. Lasconcentraciones en miligramos por litrosuelen ser indicadas incorrectamentecomo partes por millón, lo cualconstituye una relación peso-peso. Losmiligramos por litro pueden serconvertidos en partes por millón si seconoce la densidad del fluido,dividiendo el valor de mg/l por lagravedad específica de la solución.

Partes por millón (ppm). Partes pormillón, abreviado “ppm”, essimplemente la concentración en pesode un producto químico, expresada enpartes por millón de partes del total.Normalmente se usa para medirpequeñas concentraciones. Esequivalente a la fracción en peso(decimal) multiplicada por un millón(1.000.000) o al porcentaje en pesomultiplicado por 10.000. Por ejemplo, elagua salada saturada contiene 26% desal en peso; por lo tanto, deberíacontener 260.000 ppm de sal (26 x10.000 = 260.000). El valor en partes pormillón también puede ser calculadodirectamente a partir de una valoraciónque produce una concentración enmiligramos por litro, dividiendo el valoren mg/l por la gravedad específica de lasolución.

Equivalentes en Partes por Millón(EPM). EPM es el peso químicounitario de soluto por millón de pesosunitarios de solución. El valor EPM deun soluto en solución es igual a laspartes por millón divididas por el pesoequivalente.

Concentraciones de las Soluciones

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Si la valenciapositiva netaes 1, lanormalidady lamolaridadtendrán elmismo valornumérico.

Química Básica


CAPÍTULO

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* No se ha establecido ningúnvolumen inicial estándar de solventepara ninguna de estas concentracionesde solución. O se añade un volumenespecífico de soluto a un peso específicode solvente, o se añade un volumen desolvente hasta que se obtenga unvolumen final de solución.

Ejemplo: Para una solución simple decloruro de sodio de 1,148 g/cm3 (SG)con un volumen de 1.000 cm3 quecontiene 230 g de sal disuelta, calcularlas siguientes composiciones yconcentraciones:a) Composición en % en pesob) Composición en % en volumen c) Molalidadd) Molaridade) Normalidadf) mg/l de cloruro de sodiog) ppm de cloruro de sodioh) EPMi) Razón de peso de NaCl a H2O, (lb/lb)

Peso total de la solución = 1.000 cm3 x 1,148 g/cm3 = 1.148 g

Peso del agua = peso total - peso desal = 1.148 - 230 = 918 g

a) Composición en % en volumen:% en peso de NaCl =

(230 ÷ 1.148) x 100 = 20,0%% en peso de H2O =

(918 ÷ 1.148) x 100 = 80,0% b) Composición en % en volumen:

SSG agua pura (20ºC) = 0,998 g/cm3

Volumen de agua pura = (918 ÷ 0,998) = 920 cm3

% en volumen de agua = (920 ÷ 1.000) x 100 = 92%

Volumen de cloruro de sodio = 1.000 - 920 = 80 cm3

% en volumen de cloruro de sodio = (80 ÷ 1.000) x 100 = 8%

c) Molalidad – moles de soluto porkilogramo de solvente:

Peso molecular del cloruro de sodio:58,44

Moles-gramo de NaCl = (230 ÷ 58,44) = 3,94

Como solo hay 918 g de agua, no 1kg (1.000 g), el número de moles-gramo debe ser ajustado para el valorde 1 kg.

Molalidad = 3,94 x (1.000 ÷ 918) =4,287 moles-gramo NaCl por kg

d) Molaridad – moles de soluto por1 litro de solvente:

De acuerdo con c), hay 3,94 moles-gramo de NaCl en la solución originalde 1.000-cm3 (1 l).

Molaridad = 3,94 moles-gramo porlitroe) Normalidad – peso equivalente-

gramo por litro de solución:Como el cloruro de sodio tiene una

valencia positiva de 1, la normalidades el mismo número que la molaridad.

Normalidad = = 3,94 pesosequivalentes-gramo por litro

f) mg/l cloruro de sodio:Como la solución de 1.000-cm3 (1 l)

contiene 230 g (230.000 mg) decloruro de sodio:

mg/l cloruro de sodio = 230.000 mg ÷ 1 l = 230.000 mg/l

g) ppm cloruro de sodio – razón depeso x 1.000.000:

ppm cloruro de sodio = (230 ÷1.148) x 1.000.000 = 200.350 ppm

h) EPM — ppm dividido por pesoequivalente:

EPM cloruro de sodio = (200.350 ÷ 58,44) = 3.428 EPM

i) Razón de peso de NaCl a H2O:Gramos de NaCl ÷ gramos de H2O =

(230 ÷ 918) = 0,2505

Concentración* Peso del Soluto Peso del Solvente Volumen de Peso de la Soluciónla Solución

1 m (molal) 1 g peso molecular 1.000 g — 1 g peso molecular + 1.000 g

1 M (Molar) 1 g peso molecular — 1 litro —

1 N (Normal) 1 g peso equivalente — 1 litro —

100.000 mg/l 100.000 mg — 1 litro —

100.000 ppm 100.000 mg 900.000 mg — 1.000 g

Tabla 10: Concentraciones de solución.

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4A


Todos estos términos tienen significadosimportantes para el ingeniero de lodo.Las sutilezas contenidas en lossignificados son frecuentementeignoradas y mal comprendidas.

Una mezcla es una combinación dedos o más substancias sin producir unacomposición totalmente uniforme. Lasmezclas de diferentes tipos de nueces ycaramelos son comunes. Cada substanciade una mezcla mantiene las propiedadesque le son exclusivas.

Una solución es una mezclahomogénea de dos o más substancias.Una solución tiene una composicióntotalmente uniforme. Las solucionespueden constar de sólidos en sólidos(aleaciones de metales), sólidos enlíquidos (azúcar en agua), gases enlíquidos (bebidas gaseosas) o gases en

gases (aire). En general, cada vez queuna solución contiene dos substanciasque pueden reaccionar entre ellas, dichareacción se producirá.

Una dispersión es un sistema de dosfases en el cual una fase consta departículas sólidas finamente molidas queestán distribuidas en la segunda fase. Losfluidos de perforación que contienenarcillas y sólidos son dispersiones.

Una emulsión es una mezcla establede líquidos inmiscibles que sonmantenidos unidos por emulsificantes.El aceite diesel y la salmuera de clorurode calcio no son solubles el uno en elotro; sin embargo, pueden sercombinados para formar una emulsióncon la salmuera emulsionada en el aceitediesel para formar sistemas de lodobase aceite.

Mezclas, Soluciones, Emulsiones y Dispersiones

Esta sección trata de los problemas dequímica de lodos a los cuales lamayoría de los ingenieros de lodo seenfrentan. Las reacciones con variosproductos químicos de tratamientoestán ilustradas con los precipitantesresultantes o los resultados obtenidos.Para una discusión más detallada deestas reacciones, ver el capítulo sobre laContaminación y el Tratamiento.

CONTAMINACIÓN DE YESO O ANHIDRITAEl ion calcio, el cual se puede derivardel yeso o durante la perforación enanhidrita, es un contaminante en lamayoría de los lodos base agua. Una delas maneras en que se puede reducir elcalcio es añadiendo carbonato de sodio.La siguiente ecuación ilustra la maneraen que se puede eliminar el sulfato decalcio (o yeso) usando tratamientos decarbonato de sodio para formarcarbonato de calcio. La flechadescendente supone la precipitación deun sólido insoluble, mientras que unaflecha ascendente supondría lageneración de un gas.

CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3 ↓ + 2Na+ + SO4

2–

También se puede usar PirofosfatoÁcido de Sodio (SAPP) para tratar la

contaminación de anhidrita. Deberíausarse con cuidado para estepropósito, porque el SAPP reduce elpH y no es estable a grandestemperaturas como diluyente de lodo.La reacción de SAPP con el yeso es lasiguiente:

Na2H2P207 + H2O → 2NaH2PO4;2NaH2PO4 + 3CaSO4 →

Ca3(PO4)2↓ + 2Na+ + 3SO42– + 4H+

CONTAMINACIÓN DEL CEMENTOEl cemento contiene cal, Ca(OH)2,una fuente de calcio y un floculanteque puede ser eliminado añadiendobicarbonato de sodio (NaHCO3). Lareacción es la siguiente:

Ca(OH)2 + NaHCO3 → CaCO3↓ + NaOH + H2O

Esta reacción forma hidróxido desodio y producirá altos valores de pH,incluso después de eliminar el calciodel cemento. Para la contaminacióngrave del cemento, un ácido deberíaser usado combinadamente conbicarbonato de sodio para mantenerun valor de pH aceptable. Los ácidoscomunes usados con el bicarbonato desodio son el ácido cítrico, ácidoacético, SAPP y ácidos orgánicos talescomo el lignito o el lignosulfonato.

Reacciones Químicas Comunes en la Química de Lodos

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Una soluciónes unamezclahomogéneade dos o mássubstancias.

Química Básica


CAPÍTULO

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AGUA SALADALos iones magnesio y los iones calcioestán presentes en el agua salada.Ambos iones son perjudiciales para loslodos base agua. Como el hidróxido demagnesio (Mg(OH)2) y el hidróxido decalcio (Ca(OH)2) ) son relativamenteinsolubles a un pH alto, la sodacáustica debería ser usada para eliminarel magnesio y suprimir la solubilidaddel calcio. Las reacciones son lassiguientes:

Mg2+ + 2NaOH → Mg(OH)2↓ + 2Na+ (pH >10)

Ca2+ + 2NaOH → Ca(OH)2↓ + 2Na+ (pH >11)

La soda cáustica se usa para reducirel magnesio y calcio en el agua salada,primero precipitando el magnesiocomo Mg(OH)2 y luego aumentandoel pH para suprimir la solubilidad delcalcio y precipitar la cal. Si se usa calen agua salada, ésta tambiéneliminará el magnesio, pero losniveles resultantes de calcio seránmuy altos y no son deseados. El aguasalada del Golfo de México requiere1,5 a 2 lb/bbl de soda cáustica (4,3 a5,7 kg/m3) para precipitar todo elmagnesio y luego convertir el calcioen cal, resultando en un pH > 11,0(ver la Figura 10). En el agua salada, eltratamiento preferido para laeliminación del magnesio es la soda

cáustica, mientras que el tratamientopreferido para la eliminación delcalcio es el carbonato de sodio.

CONTAMINACIÓN DEL GAS CARBÓNICOEl dióxido de carbono (CO2) es un gasácido que existe en muchasformaciones y constituye uncontaminante común del lodo. El CO2en solución acuosa formará ácidocarbónico (H2CO3), el cual seconvertirá en grupos de bicarbonato(HCO3

-) a valores de pH medios, yluego en grupos de carbonatos (CO3

2-) avalores de pH más altos, de la manerailustrada anteriormente en la Figura 7.Las pequeñas afluencias serán tratadascon soda cáustica:

CO2 + H2O → H2CO3 (ácidocarbónico);

2NaOH + H2CO32Na+ + CO3

2+ + 2H2O (pH > 11)Las grandes afluencias deberían ser

tratadas con cal. Se advierte que elprecipitado de carbonato de calciopuede causar la formación deincrustaciones sobre la superficie de lacolumna de perforación y es difícil deeliminar del fluido con el equipo decontrol de sólidos, debido al tamañoultra pequeño (submicrométrico) delas partículas.

H2OCa(OH)2 + CO2 → CaCO3 ↓ + H2O

14

13

12

11

10

9

8

70 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5

Soda cáustica (lb/bbl)Agua salada: pH 8,0, 390 mg/l Ca, 1.300 mg/l Mg, 19.000 mg/l Cl

pH

Figura 10: pH vs. soda cáustica para agua salada.

Agua destilada

Lodo base agua dulce

Agua salada

El magnesiocomienza aprecipitarse como Mg (OH)2

Mg eliminado – Caempieza a convertirseen Ca(OH)2

La sodacáustica seusa parareducir elmagnesio ycalcio en elaguasalada…


4A


CONTAMINACIÓN DE CARBONATO YBICARBONATO

La contaminación de bicarbonato(HCO3

-) y carbonato (CO32-) puede

ocurrir mediante la conversión del gasCO2, la cual fue mencionadaanteriormente, o resultar de ladegradación térmica de los aditivosorgánicos tales como el lignito y ellignosulfonato, así como de labiodegradación del almidón y otrosaditivos, entre otras fuentes. Estosiones pueden ser eliminados con elcalcio. Sin embargo, como elbicarbonato de calcio Ca(HCO3)2 essoluble, todos los bicarbonatos debenser convertidos en carbonatos (porencima de un pH deaproximadamente 11) antes de quepuedan precipitarse totalmente comocarbonato de calcio. La eliminaciónde los bicarbonatos y carbonatospuede ser lograda con cualquierfuente de calcio soluble, bajocondiciones de pH constante (si el pHes lo suficientemente alto) oaumentando el pH con soda cáusticaen la presencia de calcio.

Se prefiere usar la cal (Ca(OH)2)para convertir HCO3

- en CO32-, y

luego precipitar los carbonatos comoCaCO3, especialmente si el pH delsistema no será aumentado a > 11.

2HCO3– + Ca(OH)2 →

CaCO3↓ + OH– + H2OCO3

2– + Ca(OH)2 → CaCO3↓ + 2OH–

Cuando se debe mantener un valorde pH constante, se requiere usar unacombinación de tratamientos de yesoy de cal:

Ca(OH)2 + 2HCO3– →

CaCO3↓ + CO32– + 2H2O

CaSO4 • 2H2O + CO32– →

CaCO3↓ + SO42– + 2H2O

CONTAMINACIÓN DE SULFURO DEHIDRÓGENO (H2S) El sulfuro de hidrógeno es un gas ácidovenenoso y peligroso que se encuentraen muchas formaciones y muchosfluidos producidos. Este gas puedeinsensibilizar rápidamente los sentidosy puede ser letal, incluso a bajasconcentraciones. El H2S se caracterizapor su típico olor a “huevo podrido”.

Por razones de seguridad, este gasdebería ser neutralizadoinmediatamente con soda cáustica o calpara aumentar el pH a > 11,5 paraformar sulfuro (S2-), y luego precipitarlocon una fuente de cinc.

Neutralización con soda cáustica: 2NaOH + H2S

2Na+ + S2– + 2H2O (al pH >11,5)Neutralización manteniendo el

exceso de cal:H2S + Ca(OH)2 →

Ca2+ + S2– + 2H2O (pH >11,5)La conversión del sulfuro de

hidrógeno en sulfuro aumentando elpH no constituye una reacciónpermanente. Si el pH disminuye hastaniveles ácidos, el sulfuro se convertiráde nuevo en la forma venenosa desulfuro de hidrógeno. Por este motivo,el H2S siempre debe ser precipitado conuna fuente de cinc, tal como el óxidode cinc.

Eliminación mediante laprecipitación con tratamientos deóxido de cinc (ZnO):

H2S + ZnO → ZnS↓ + H2O

ELIMINACIÓN DEL OXÍGENO CONSECUESTRANTES DE OXÍGENO

El oxígeno disuelto puede aumentar lacorrosión y puede ser eliminadomediante tratamientos con unproducto químico que contienesulfito. Las soluciones de bisulfitoamónico líquido constituyen lossecuestrantes de oxígeno máscomunes y reaccionan con el oxígenode la siguiente manera:

NH4HSO3 + 1⁄2 O2 + OH– → NH4 + SO3 + H2O;

SO3 + 1⁄2 O2 → SO4

El calcio soluble puede reaccionarpara formar sulfito de calcio, el cualtiene una solubilidad máxima deaproximadamente 43 mg/l en agua fría,y más baja en agua caliente. Lacantidad residual de sulfito en la líneade flujo no debería exceder este nivel siel lodo contiene altos niveles de calcio.

TRATAMIENTOS ÁCIDOSLos revoques que contienen

materiales densificantes solubles enácido, tales como el carbonato decalcio usado para fluidos de

…el H2Ssiempre debeserprecipitadocon unafuente decinc…

El sulfuro dehidrógeno esun gas ácidovenenoso ypeligroso…

Química Básica


CAPÍTULO

4A

perforación de reservorio no dañinos,son generalmente eliminados del pozocon tratamientos de ácido clorhídrico.

Disolución del carbonato de calciousando ácido clorhídrico:

CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2↑ + H2O

FOSFATOS

El Pirofosfato Ácido de Sodio (SAPP) yotros fosfatos reaccionan con el calcioy lo precipitan de conformidad con lasiguiente reacción:

Na2H2P2O7 + H2O → 2NaH2PO4;2NaH2PO4 + 3Ca(OH)2 →

Ca3 (PO4)2↓ + 4H2O +2NaOHAunque la reacción produzca soda

cáustica como producto secundario, elpH disminuye porque el SAPP es unácido débil y la reacción sólo deja dosgrupos hidroxilo de cada seis gruposhidroxilo originales.

EFECTO DEL LIGNITO SOBRE EL CALCIO

El lignito contiene calcio (de 1,5 a 5%)como parte de su composición química.Los ácidos orgánicos tales como ellignito también tienen la capacidad deligar el calcio químicamente. Este calciocomplejado existe como partícula sólida(flóculo) y puede que no sea lo

suficientemente grande para sereliminado por medios mecánicos. Elrevoque filtrará la mayoría del calciocomplejado con el lignito. Sin embargo,una parte del calcio complejado conlignito pasará a través del revoque y delpapel, y será captado con el filtrado.Durante la valoración del calcio delfiltrado, el calcio disponible serávalorado primero. A medida que lavaloración continúa, el calciocomplejado se solubiliza y éste tambiénserá valorado. Este calcio complejadono está disponible para las reaccionesquímicas en los sistemas de lodo. Unalb/bbl de lignito solubilizado tiene elpotencial de complejar 200 mg/l decalcio. Recordar que aunque lavaloración del calcio indique lapresencia de un exceso de calciosuficiente, es posible que no hayaningún calcio disponible parareaccionar con los grupos de carbonatoy bicarbonato. Por lo tanto, es posibleque se produzca algún problemarelacionado con el carbonato, aunquese valore cierta cantidad de calcio en elfiltrado cuando se usa el lignito comoaditivo.

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Química de Arcillas

Química de Arcillas 4B.1 N° de Revisión: A-1 / Fecha de Revisión: 14-02-01

CAPÍTULO

4B

Un entendimiento riguroso de lasarcillas puede ser la herramienta másvaliosa del ingeniero de lodos. La arcillapuede ser añadida intencionalmente, talcomo en el caso de M-I GEL®, o puedeentrar en el lodo como contaminanteimportante mediante la dispersión delos sólidos de perforación. En cualquiercaso, la arcilla se convierte en una parteactiva del sistema. Por este motivo, esnecesario entender la química básica delas arcillas para controlar correctamentelos lodos base agua. La química de lasarcillas también es importante en lo quese refiere a las interacciones entre loslodos base agua y las lutitas que afectanla estabilidad del pozo.

Arcilla es un término amplio que seusa comúnmente para describir lossedimentos, suelos o rocas compuestosde partículas minerales y materiaorgánica de granos extremadamentefinos. Un buen ejemplo son las arcillas(a veces llamadas arcillas tipo “gumbo”[arcillas plásticas]) encontradas en losjardines o a lo largo de las riberas. Estasarcillas son frecuentemente blandas yplásticas cuando están mojadas, pero sevuelven duras cuando están secas. Estapropiedad física de “blanda cuandomojada, dura cuando seca” se puederelacionar con la presencia de ciertosminerales arcillosos. Arcilla también seusa como término general para describirlas partículas que tienen un diámetroinferior a 2 micrones, las cualesincluyen la mayoría de los mineralesarcillosos.

Los minerales arcillosos son mineralesde silicato alumínico de granos finosque tienen microestructuras biendefinidas. En la clasificaciónmineralógica, los minerales arcillososestán clasificados como silicatosestratificados porque la estructuradominante se compone de camasformadas por capas de sílice y alúmina.Cada capa consta de una estructuralaminar y delgada, llamada capaunitaria. Por ejemplo, un mineral desilicato estratificado típico sería la micao la vermiculita, las cuales puedensepararse en capas finas a lo largo de losplanos de clivaje. La mayoría de losminerales arcillosos tienen unamorfología laminar. Según las unidades

repetidas de la estructura, los mineralesarcillosos también se pueden clasificarde acuerdo a la relación de capas desílice a capas de alúmina, tal como 1:1,2:1 y 2:2, además de si estos mineralesarcillosos son estratificados o en formade aguja.

En la industria de fluidos deperforación, ciertos minerales arcillosostales como la esmectita, uno de losprincipales componentes de labentonita, son usados paraproporcionar viscosidad, estructura degel y control de filtrado. Las arcillas dela formación se incorporaninevitablemente en el sistema de fluidode perforación durante las operacionesde perforación y pueden causar variosproblemas. Por lo tanto, los mineralesarcillosos pueden ser beneficiosos odañinos para el sistema de fluido.

El término bentonita se usa paradescribir la montmorillonita sódicaexplotada comercialmente (la cualconstituye una forma de esmectita) quese usa como aditivo para el lodo deperforación (por ej.: M-I GEL o M-I GELSUPREME™). Geológicamente, la bentonita esuna capa de ceniza volcánica alterada.Uno de los más grandes depósitos deesta ceniza volcánica se produjo hacemás de 60 millones de años en ciertaregiones de Norteamérica, conocidashoy como las Black Hills de Wyoming yDakota del Sur, y las Big HornMountains de Wyoming. La arcillabentonítica explotada en Wyomingproviene precisamente de esta capa debentonita depositada volcánicamente.La arcilla bentonítica explotada en otrasáreas del mundo pueden provenir deotros tipos de depósitos geológicos.

Debido a sus pequeños tamaños departículas, las arcillas y los mineralesarcillosos son analizados con técnicasespeciales tales como la difracción derayos X, la absorción infrarroja y lamicroscopia electrónica. La Capacidadde Intercambio Catiónico (CEC), laadsorción de agua y el área superficialson algunas de las propiedades de losminerales arcillosos que suelen serdeterminadas para lograr una mejorcaracterización de los mineralesarcillosos y minimizar los problemas deperforación.

Introducción

…es necesarioentender laquímicabásica de lasarcillas paracontrolarcorrectamentelos lodos baseagua.

…mineralesarcillosos...sonusados paraproporcionarviscosidad,estructura degel y controlde filtrado.

Química de ArcillasCAPÍTULO

4B


Existe un gran número de mineralesarcillosos, pero los que nos interesanen relación con los fluidos deperforación pueden ser clasificados entres tipos.

El primer tipo consta de arcillas enforma de aguja no hinchables como laatapulguita o la sepiolita. Se cree que laforma de las partículas es responsablede la capacidad que la arcilla tiene paraaumentar la viscosidad. El tamañonatural de cristales finos y la forma deaguja hacen que la arcilla desarrolleuna estructura de “escobillasamontonadas” en suspensión,demostrando así una alta estabilidadcoloidal, incluso en la presencia deuna alta concentración de electrolitos.Debido a su forma y a suscaracterísticas no hinchables, estasarcillas demuestran un control defiltración muy débil. Por este motivo,la atapulguita se usa principalmentecomo mejorador de viscosidad en loslodos base agua salada, mientras que lasepiolita se usa generalmente comoviscosificador suplementario para losfluidos geotérmicos y de altatemperatura. Estas arcillas no están casinunca presentes en las lutitas de lasformaciones. M-I vende la atapulguitabajo el nombre SALT GEL®‚ y la sepiolitabajo el nombre DUROGEL®‚.

El segundo tipo son las arcillaslaminares no hinchables (oligeramente hinchables): ilita, clorita ykaolinita, las cuales están descritas másadelante.

El tercer tipo son las montmorillonitaslaminares muy hinchables.

El segundo y el tercer tipo deminerales arcillosos se encuentran enlas lutitas de las formaciones, en elorden siguiente y en cantidadesdecrecientes: (1) ilita, (2) clorita, (3)montmorillonita y (4) kaolinita. Comoestán presentes en las formacionesperforadas, estas arcillas se dispersanen cantidades variables dentro delsistema de fluido de perforación. Lamontmorillonita presente en las lutitases generalmente la montmorillonitacálcica, porque está en equilibrio conel agua de la formación, la cual esgeneralmente rica en calcio.

La montmorillonita sódica(bentonita de Wyoming, M-I GEL y M-IGEL SUPREME) también se añadenormalmente a un lodo para aumentarla viscosidad y reducir el filtrado. Laspropiedades de filtración y reológicasdel lodo dependen de las cantidades delas diferentes arcillas contenidas en ellodo. Como la montmorillonita esañadida intencionalmente a un lodopara controlar estas propiedades, losotros tipos de arcillas pueden serconsiderados como contaminantes,visto que no son tan eficaces comouna arcilla comercial.

La arcilla que existe naturalmentetiene una estructura apilada oestratificada, en la cual cada capaunitaria tiene un espesor deaproximadamente 10 angstroms (Å).Esto significa que cada milímetro deespesor consta de aproximadamenteun millón de capas de arcilla. Cadacapa de arcillas es altamente flexible,muy fina, y tiene un área superficialenorme. Se puede considerar que unapartícula individual de arcilla es algoparecido a una hoja de papel o untrozo de celofán. ¡Un gramo demontmorillonita sódica tiene un áreasuperficial de capa total de 8.073 pies2

(750m2)!En agua dulce, las capas adsorben el

agua y se hinchan hasta el punto enque las fuerzas que las mantienenunidas se debilitan y las capasindividuales pueden separarse de lospaquetes. La separación de estospaquetes en múltiples capas se llamadispersión. Este aumento del númerode partículas, junto con el aumentoresultante del área superficial, causa elespesamiento de la suspensión. LaFigura 1 es una fotomicrografía real deuna partícula de bentonita. Nótese quese parece a una baraja de cartas abiertaen abanico. Se puede observar quevarias de las partículas laminares setraslapan. Esta forma característica delas partículas es lo que produce elllamado efecto de “cinglado” que estan importante para el control defiltrado.

Tipos de Arcillas

La arcilla queexistenaturalmentetiene unaestructuraapilada oestratificada…

Laseparaciónde estospaquetes enmúltiplescapas sellamadispersión.



CAPÍTULO

4B

Las arcillas son generalmente deltipo de dos capas como la kaolinita odel tipo de tres capas como lamontmorillonita, la clorita o la ilita.Cada partícula de arcilla laminar secompone de un apilamiento de capasunitarias paralelas. Cada capa unitariaconsta de una combinación de hojasde sílice dispuestas tetraédricamente(en pirámide) y hojas de alúmina omagnesia dispuestas octaédricamente(ocho caras). Las arcillas de tres capas

se componen de capas unitariasconstituidas por dos hojas tetraédricasde cada lado de una hoja octaédrica,en cierto modo como un emparedado(ver la Figura 2). Las arcillas de doscapas se componen de capas unitariasconstituidas por una hoja tetraédricay una hoja octaédrica.

Las arcillas pueden sereléctricamente neutras o estarcargadas negativamente. Por ejemplo,la pirofilita [Al2Si4O10 – (OH)2], unaarcilla neutra, como aparece en laFigura 3, es similar a lamontmorillonita cargadanegativamente.

Figura 1: Fotomicrografía de partículas de bentonita.

2 µ 2 µ

Tetraédrica

Octaédrica

Tetraédrica

Sílice

Alúmina

Sílice

10 ÅUnacapa

unitaria

Figura 2: Partícula de montmorillonita idealizada.

–O

–O

–O

–O

OSi

O

Al

O

Si

+

OH

O

OSi

O

Al

O

Si

+

O

OSi

O

Al

O

Si

+

OH

O

OSi

O

Al

O

Si

+

O

OSi

O

Al

O

Si

+

OH

O

OSi

O

Al

O

Si

+

O

OSi

O

Al

O

Si

+

OH

O

Si

O

Al

O

Si

+

OH OHOH OH OH

O O O O

+

–O

O–

+

Figura 3: Pirofilita eléctricamente neutra.

Las arcillaspueden sereléctricamenteneutras o estarcargadasnegativamente.

Capa desílice

Todas las cargas superficiales están compensadas

Capa desílice

Capa dealúmina


4B


ARCILLAS MONTMORILLONÍTICAS(ARCILLAS DE TRES CAPAS)Si se sustituye un átomo de aluminio(Al3+) por un solo átomo de magnesio(Mg2+) en la estructura reticular(disposición de los átomos), ésta tendráun electrón excedente o una carganegativa (ver la Figura 4). La carganegativa neta es compensada por laadsorción de cationes (iones positivos)en las superficies de la capa unitaria,tanto en las superficies interiores comoen las superficies exteriores delapilamiento.

Los cationes que se adsorben en lassuperficies de las capas unitarias puedenser cambiados por otros cationes y sellaman los cationes intercambiables dela arcilla. La cantidad de cationes porpeso unitario de la arcilla se mide y seregistra como capacidad de intercambiocatiónico (CEC). El catión puede ser union de simple carga como el sodio (Na+)o un ion de doble carga como el calcio(Ca2+) o el magnesio (Mg2+). De estemodo, tenemos montmorillonita sódica,montmorillonita cálcica y/omontmorillonita magnésica. Aunque labentonita de Wyoming estégeneralmente definida comomontmorillonita sódica, el calcio y elmagnesio intercambiables puedenconstituir de 35 a 67% de la capacidadtotal de intercambio. La propiedad mástípica de las montmorillonitas es lacapacidad de hinchamiento entre capas(hidratación) con el agua (ver las Figuras5 y 6).

Además de la sustitución del aluminio(Al3+) por el magnesio (Mg2+) en la red demontmorillonita, muchas otrassustituciones pueden ser realizadas. Porlo tanto, el nombre montmorillonita seusa frecuentemente como nombre degrupo que incluye muchas estructurasminerales específicas. Sin embargo, enlos últimos años, se ha aceptado cadavez más el nombre esmectita comonombre de grupo, reservando el términomontmorillonita para los miembrospredominantemente aluminosos delgrupo. Este grupo de minerales incluyela montmorillonita, la hectorita, lasaponita, la nontronita y otrosminerales específicos.

ILITAS (ARCILLAS DE TRES CAPAS)Las ilitas tienen la misma estructurabásica que las montmorillonitas, perono muestran la capacidad dehinchamiento entre capas. En vez dela sustitución de Al3+ por Mg2+ comoen la montmorillonita, la ilita tieneuna sustitución de Si4+ por Al3+, lo cualaún produce una carga negativa. Loscationes compensadores sonprincipalmente el ion potasio (K+),como lo indica la Figura 6. La carganegativa neta de la red que resulta deestas sustituciones, mediante los ionespotasio compensadores, esgeneralmente mayor que la carga de lamontmorillonita, pudiendo ser hastauna vez y media más grande que ésta.

–O

–O

–O

–O

OSi

O

Al

O

Si

+

OH

O

OSi

O

Mg

O

Si

+

O

OSi

O

Al

O

Si

+

OH

O

OSi

O

Al

O

Si

+

O

OSi

O

Al

O

Si

+

OH

O

OSi

O

Mg

O

Si

+

O

OSi

O

Al

O

Si

+

OH

O

Si

O

Al

O

Si

+

OH OHOH OH OH

O O O O

+

–O

O–

+

Figura 4: Sustitución de Al3+ por Mg2+ causando una partícula cargada negativamente.

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Capa desílice

Na+ Cationes de enlace superficial Na+

Cargas negativas excedentes

Capa desílice

Capa dealúmina



CAPÍTULO

4B

El espacio entre las capas unitarias esde 2,8 Å. El diámetro iónico de K+ es de2,66 Å. Esto permite que el K+ encajeperfectamente entre las capas unitarias,formando un enlace que impide elhinchamiento en la presencia de agua.Como las capas unitarias no sehinchan ni se separan al ser expuestasal agua, los iones potasio (K+) presentesentre las capas unitarias no estándisponibles para el intercambio. Sólolos iones potasio que se encuentran enlas superficies exteriores pueden sercambiados por otros cationes.

Entre los minerales arcillosos 2:1, laesmectita, ilita, y capas mixtas de ilita yesmectita son encontradas durante laperforación de formaciones de lutita,causando frecuentemente distintosproblemas relacionados con la

estabilidad del pozo y elmantenimiento del fluido deperforación. La naturaleza problemáticade estos minerales arcillosos puedeestar relacionada con los cationesdébilmente enlazados entre las capas ylas cargas débiles de las capas queproducen el hinchamiento y ladispersión al entrar en contacto con elagua. A medida que la profundidad deentierro aumenta, la esmectita seconvierte gradualmente en arcillas decapas mixtas de ilita/esmectita, yfinalmente en ilita y mica. Comoresultado, las formaciones de lutita sevuelven generalmente menoshinchables pero más dispersivas enagua, a medida que la profundidadaumenta.

Figura 5: Estructura de la esmectita.

Distanciaentre capas

Alúminatetraédrica

Alúminatetraédrica

Alúminatetraédrica dela siguiente

capa unitaria

Cationes intercambiables nH2O (agua adsorbida)

Oxígenos

y Silicio, ocasionalmente aluminio

Hidroxilos Aluminio, hierro, magnesio

Hinchamiento

OH

OH

OH

OH

Síliceoctaédrico

Sólo los ionespotasio queseencuentranen lassuperficiesexteriorespueden sercambiadospor otroscationes.


4B


CLORITAS (ARCILLAS DE TRES CAPAS)Las cloritas están estructuralmenterelacionadas con las arcillas de trescapas. Las cloritas no se hinchan en suforma pura, pero puede hacerse quehinchen ligeramente al ser modificadas.En estas arcillas, los cationescompensadores de carga entre las capasunitarias de tipo montmorillonita sonreemplazados por una capa dehidróxido de magnesio octaédrico, obrucita (ver la Figura 6). Esta capa tieneuna carga positiva neta debido a lasustitución de ciertos Mg2+ por Al3+ en lacapa de brucita.

Las cloritas se encuentranfrecuentemente en antiguos sedimentosmarinos enterrados a grandesprofundidades, y normalmente nocausan ningún problema importante amenos que estén presentes en grandescantidades. La capacidad deintercambio catiónico de la clorita varíade 10 a 20 meq/100 g, principalmentedebido a los enlaces rotos. La distanciaentre capas del clorita suele ser deaproximadamente 14 Å. La cloritatambién puede formar arcillas de capasmixtas con otros minerales arcillosostales como la esmectita. La arcillaresultante de capas mixtas tendría laspropiedades de ambos tipos deminerales arcillosos.

KAOLINITAS (ARCILLAS DE DOS CAPAS)La kaolinita es una arcilla no hinchablecuyas capas unitarias están fuertementeligadas mediante enlaces de hidrógeno.Esto impide la expansión de lapartícula, porque el agua no es capaz depenetrar en las capas. La kaolinita nocontiene cationes entre capas ni tienecargas superficiales porque no seproduce casi ninguna sustitución en lashojas tetraédricas u octaédricas. Sinembargo, algunas pequeñas cargaspueden resultar de los enlaces rotos olas impurezas. Por lo tanto, la kaolinitatiene una capacidad de intercambiocatiónico relativamente baja (de 5 a 15meq/100 g). La kaolinita se encuentracomúnmente como componentemenor a moderado (5 a 20%) de lasrocas sedimentarias tales como laslutitas y las areniscas.

La Tabla 1 contiene un resumen delos minerales arcillosos y la Figura 6presenta una comparación esquemáticade las diferentes estructuras de lasarcillas.

DistanciaCatión de interatómica

Grupo Estructura Carga intercambio (Å) Hinchamiento

Kaolinita capa 1:1 Nula Ninguno 7,2 Ninguno

Talco capa 2:1 Nula Ninguno 9,3 Ninguno

Esmectita capa 2:1 0,3 - 0,6 Na+, Ca2+, K+, Mg2+ 11 - 15 Variable

Vermiculita capa 2:1 1,0 - 4,0 K+, Mg2+ 14 - 15 Variable

Ilita capa 2:1 1,3 - 2,0 K+ 10 Nulo

Mica capa 2:1 2,0 K+ 10 Ninguno

Chlorita capa 2:2 Variable Capa de brucita 14 Nulo

Sepiolita cadena 2:1 Nula Ninguno 12 Nulo

Paligorskita cadena 2:1 Menor Ninguno 10,5 Nulo

Tabla 1: Arcillas encontradas comúnmente.

La kaolinitano contienecationes entre capas nitiene cargassuperficiales…



CAPÍTULO

4B

Los cationes compensadores que seadsorben en la superficie de la capaunitaria pueden ser cambiados por otroscationes y se llaman los cationesintercambiables de la arcilla. Lacantidad de cationes por peso unitariode la arcilla es medida y registradacomo la CEC (capacidad de intercambiocatiónico). La CEC está expresada enmiliequivalentes por 100 g de arcillaseca (meq/100 g). La CEC de lamontmorillonita está comprendidadentro del rango de 80 a 150 meq/100g de arcilla seca. La CEC de las ilitas ycloritas es de aproximadamente 10 a 40meq/100 g, y la CEC de las kaolinitas esde aproximadamente 3 a 10 meq/100 gde arcilla.

La Prueba de Azul de Metileno (MBT)

es un indicador de la CEC aparente deuna arcilla. Cuando se realiza estaprueba sobre un lodo, se mide lacapacidad total de intercambio de azulde metileno de todos los mineralesarcillosos presentes en el lodo.Normalmente se registra la Capacidadde Azul de Metileno (MBC) comocantidad equivalente de bentonita deWyoming requerida para obtener estamisma capacidad.

Es importante notar que la prueba noindica directamente la cantidad debentonita presente. Sin embargo, lacantidad aproximada de bentonita ysólidos en el lodo puede ser calculadabasándose en el hecho de que lossólidos de perforación normales tienenuna CEC equivalente a 1/9 de la CEC

H2O

H2O

1 cristal

1 cristal 1 cristal

1 cristal 1 cristal 1 cristal

1 cristal1 cristala c

b

SepiolitaArcilla en forma de aguja

H2O

H2O

H2O

Mg(OH)2

H2O

KK

H2O

Mg(OH)2

Mg(OH)2

Mg(OH)2

Mg(OH)2

H2O

KK

KK

KK

KK

KK

H2O

H2O

Tipo ilita

KK

H2O

H2O

Tipo clorita

“a” Tiene las propiedades de la clorita“b” Tiene las propiedades de la montmorillonita“c” Tiene las propiedades de la ilita

Arcillas de capas mixtas

Mg(OH)2

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

H2OKaolinita

H2OClorita

(Mg(OH)2 = hoja de brucita)

H2OIlita

(K = potasio)

Arcillas laminares no hinchables

H2O

H2O

H2O

H2O

H2O

MontmorillonitaArcillas laminares hinchables

1 cristal

Figura 6: Comparación de estructuras de arcillas.

Capacidad de Intercambio catiónico (CEC)

La cantidadde cationespor pesounitario dela arcilla es...la CEC(capacidaddeintercambiocatiónico).


4B


de la bentonita, y si se calcula lacantidad de sólidos de perforaciónpresentes en el lodo a partir de unanálisis de retorta. Este cálculoaproximado de la cantidad de bentonitaañadida y sólidos de perforación puedeser más preciso cuando se mide la MBCde los recortes de perforación. Esteprocedimiento puede ser útil paraevaluar la cantidad y la calidad de lasarcillas en el lodo.

Para hacerse una idea de los cationesque reemplazarán a otros cationes enlas posiciones de intercambio, se aceptageneralmente la siguiente secuencia,disponiéndola en orden de preferenciadecreciente:H+ > Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > NH4+ >

Na+ > Li+

Es decir que cualquier catión a laizquierda reemplazará a cualquiercatión ubicado a su derecha.

La concentración relativa de cadacatión también afecta esta preferenciade intercambio catiónico. Aunqueresulte más difícil reemplazar el calcioque el sodio, si la concentracióniónica de Na+ es considerablementemás alta que la concentración de Ca2+,el sodio desplazará al calcio. Elintercambio catiónico puede resultarde un cambio de temperatura vistoque muchos compuestos tienendiferentes relaciones de solubilidad atemperatura. La solubilidad de algunasde las sales cálcicas comunes, talescomo CaSO4, disminuye a grandestemperaturas, mientras que lasolubilidad de la mayoría de loscompuestos de sodios aumenta. Amedida que la concentración deNa+/Ca2+ aumenta, los cationes Ca2+ dela arcilla tienden a ser reemplazadospor los cationes Na+ de la solución.

En la mayoría de las áreas, las arcillascomerciales tales como M-I GEL y M-IGEL SUPREME son añadidas al agua parapreparar un lodo base agua. Lasarcillas cumplen dos funciones: (1)proporcionar viscosidad al fluido deperforación, y (2) depositar unrevoque que sellará las formacionespermeables para limitar las pérdidaspor filtración y evitar el atascamientode la tubería. En algunas áreas, laperforación puede ser iniciada conagua, dejando que los sólidosperforados se incorporen,produciendo suficientes propiedadespara permitir la perforación del pozo.En otras situaciones, se usan sistemasa base de polímeros cuando no seañade ninguna arcilla a laformulación.

En los lodos base agua-arcilla, elagua constituye la fase líquidacontinua en la cual ciertos materialesson mantenidos en suspensión yotros materiales se disuelven. Se usaun gran número de aditivos de lodopara obtener propiedades especiales,pero, fundamentalmente, todos loscomponentes pueden ser divididos entres categorías.1. La fase acuosa es la fase continua

del lodo. Según la ubicación y/o elagua disponible, ésta puede ser

agua dulce, agua de mar, agua dura,agua blanda, etc. No es raro que seuse una variedad de soluciones desalmueras, saladas a saturadas comolíquido de base para preparar unsistema a base de agua.

2. La fase de sólidos reactivos secompone de arcillas comerciales,arcillas hidratables incorporadas ylutitas de las formacionesperforadas que son mantenidas ensuspensión de la fase fluida. Estossólidos son tratados químicamentepara controlar las propiedades delfluido de perforación. Variosaditivos serán usados para obtenerlas propiedades deseadas.

3. Los sólidos inertes son los sólidosen suspensión que sonquímicamente inactivos. Éstospueden ser sólidos de perforacióninertes tales como la caliza,dolomita o arena. La barita esañadida al fluido de perforaciónpara aumentar la densidad delfluido y también constituye unsólido inerte.

El resto de este capítulo describirá elcomportamiento de los sólidosreactivos en la fase acuosa y la maneraen que dicho comportamiento afectalas propiedades del lodo.

Composición de los Lodos Base Agua-Arcilla

…cualquiercatión a laizquierdareemplazaráa cualquiercatiónubicado a suderecha.

En lamayoría delas áreas, lasarcillascomerciales...son añadidasal agua parapreparar unlodo baseagua.



CAPÍTULO

4B

HIDRATACIÓN DE LAS ARCILLASEl cristal de bentonita se compone detres capas: una capa de alúmina conuna capa de sílice encima y otradebajo. La laminilla de arcilla estácargada negativamente y una nube decationes está relacionada con ésta. Siun gran número de estos cationes sonsodio, la arcilla será frecuentementellamada montmorillonita sódica. Silos cationes son principalmentecalcio, la arcilla será llamadamontmorillonita cálcica.

Según el número de cationespresentes, el espacio entre capas de lamontmorillonita seca estarácomprendido entre 9,8 (sodio) y 12,1Å (calcio) y lleno de agua fuertementeligada. Cuando la arcilla seca entra encontacto con agua dulce, el espacioentre capas se expande y la arcillaadsorbe una gran “envoltura” de

agua. Estos dos fenómenos permitenque las arcillas generen viscosidad.Como lo indica la Figura 7, lasbentonitas a base de calcio sólo seexpanden hasta 17 Å, mientras que labentonita sódica se expande hasta 40Å.

El espesor de la película de aguaadsorbida es controlado por el tipo yla cantidad de cationes asociados conla arcilla. El agua que se adsorbe enlas grandes superficies planarescontiene la mayor parte del agua totalretenida por las arcillas hidratables.Los cationes divalentes como Ca2+ yMg2+ aumentan la fuerza de atracciónentre las laminillas, reduciendo así lacantidad de agua que se puedeadsorber. Los cationes monovalentescomo Na+ producen una fuerza deatracción más débil, permitiendo quemás agua penetre entre las laminillas.

10 - 12 Å

17 Å

Agua dehidratación

40 Å

1 - 2 µ

Montmorillonita cálcica

Montmorillonitasódica o cálcica

Montmorillonita sódica

SíliceAlúminaSílice

+ agua

Na+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Ca2+

Na+

Na+Na+

Na+

Na+

Na+Na+

Figura 7: Comparación del hinchamiento para la montmorillonita cálcica y sódica.

El espesor dela película deaguaadsorbida escontroladopor el tipo yla cantidadde cationes…


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Como la bentonita sódica se hinchacuatro veces más que la bentonitacálcica, la bentonita sódica generaráuna viscosidad cuatro veces másimportante. El capítulo sobre losSistemas a Base de Agua describe másdetalladamente el papel que elintercambio basado en el calciodesempeña en los sistemas tratadoscon calcio.

Además de adsorber el agua y loscationes en las superficies exteriores, laesmectita absorbe agua y cationes enlas superficies entre las capas de suestructura cristalina. La esmectita tieneuna capacidad de adsorción de aguamucho más grande que otrosminerales arcillosos. La capacidad deadsorber agua, la cantidad de cationesintercambiables (CEC) y el áreasuperficial son fenómenos muyrelacionados entre sí que a veces sonllamados propiedades coligativas de laarcilla.

Estas propiedades coligativas sonbásicamente medidas de la reactividadde la arcilla. Como la CEC es fácil demedir, se trata de un método prácticopara evaluar la reactividad de la arcillao lutita. La CEC de la arcilla se puedemedir mediante una valoración de azulde metileno. Para medir la CEC, se usauna solución de azul de metileno 0,01N, de manera que el número demilímetros de solución de azul demetileno requeridos para llegar alpunto final sea igual a meq/100 g. Elrango de CEC para materialesminerales arcillosos puros estáindicado en la siguiente tabla:

La esmectita es claramente muchomás reactiva que otros materialesminerales arcillosos. Las lutitas quecontienen esmectita son las mássensibles al agua y las más hidratables.Las lutitas que contienen otrosminerales arcillosos tienen una menor

capacidad de hidratación, aunquepuedan ser sensibles al agua. La mayoríade las lutitas contienen varios tipos dearcillas en cantidades variables. Lareactividad de una lutita depende de lostipos y de las cantidades de mineralesarcillosos presentes en la lutita. Muchasveces, la CEC constituye una mejormedida de la reactividad de la arcilla queel análisis mineralógico deducido delanálisis de difracción de rayos X. INFLUENCIA CATIÓNICA SOBRE LAHIDRATACIÓN

Como se indicó previamente, el poderrelativo de sustitución de un catión porotro está indicado por la siguientesecuencia:H+ > Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > NH4+ >

Na+ > Li+

Un catión puede servir de enlacepara mantener unidas a las partículasdel mineral arcilloso, lo cual reduce lahidratación. Los cationesmultivalentes producen un enlacemás fuerte entre las capas que loscationes monovalentes, lo cual resultageneralmente en la agregación de laspartículas de arcilla. El potasio, uncatión monovalente, constituye laexcepción de la regla. Los cationesadsorbidos pueden hidratarse y atraeruna envoltura de agua que tiene unaforma definida. El tamaño y la formadel catión hidratado afectan sucapacidad de encajar entre lassuperficies entre capas de la arcilla yafectan tanto el hinchamiento de laarcilla como la hidratación de laarcilla. Los espacios dentro de lascapas de montmorillonita cristalinason de 2,8 Å. Los pequeños iones,como el potasio, que encajan entre lascapas de arcilla, son intercambiadoscon mayor facilidad y de manerapermanente. Además, los cationes queaumentan de tamaño al hidratarseextienden las distancias entre capaspara estimular la hidratación de laarcilla. El calcio es un buen ejemplo,teniendo un diámetro hidratado de19,2 Å. El litio es otro ejemplo,teniendo tres moléculas de agua y undiámetro hidratado de 14,6 Å. Loscationes monovalentes que tienengrandes diámetros hidratados causan

Arcilla CEC (meq/100 g)

Esmectita 80 - 150

Ilita 10 - 40

Clorita 10 - 40

Kaolinita 3 - 10

Tabla 2: Rango de CEC para materiales mineralesarcillosos puros.

Un catiónpuede servirde enlaceparamantenerunidas a laspartículasdel mineralarcilloso…

…propiedadescoligativassonbásicamentemedidas de lareactividadde la arcilla.

el mayor hinchamiento y la mayordispersión. Los cationes multivalentesque tienen pequeños diámetroshidratados son los más inhibidores.

La Tabla 3 enumera el diámetroiónico (cristalino) y el diámetrohidratado de los cationes que soncomunes a los fluidos de perforación.Después de adsorberse en la regiónentre capas, los cationes hidratadospueden deshidratarse con el tiempo yser expuestos a altas temperaturaspara que las distancias entre capas sereduzcan y que los cationes sevuelvan menos reactivos (ver lafijación de iones descritas en lasiguiente sección).

REACCIONES DE LA ARCILLA CON IONESPOTASIO

Las reacciones químicas entre laarcilla y los iones potasio son únicasen comparación con otros iones. Elmodelo de intercambio de iones noexplica totalmente la interacción delpotasio con la arcilla. Se prestaráparticular atención a este proceso,debido al uso generalizado del potasioen los fluidos de perforación yterminación para estabilizar las lutitasreactivas. Incluso en las aplicacionescostafuera en los Estados Unidos,donde el nivel de potasio debe sermantenido por debajo de 5% porrazones ambientales, esta pequeñaconcentración de iones puede ayudar aestabilizar las formaciones de lutitaactiva porque la fijación de ionespuede producirse en algunas arcillasesméctitas cuando son expuestas alpotasio.

Según Eberl (1980), el potasio puedeasociarse con los minerales arcillososde dos maneras:

1. Intercambio de iones (descritoanteriormente).

2. Fijación de iones.La reacción de intercambio de iones

se rige por la ley de acción de masas; esdecir que la velocidad de intercambiodepende de la concentración de losiones (por ej.: cuanto más grande seala relación de iones K a iones Na, másrápida será la velocidad de intercambiode K+ por Na+).

Además del intercambio de iones, lafijación de iones ocurrirá en las arcillascon capa de alta carga. Esto aumenta laselectividad de la arcilla respecto alpotasio en un orden de magnitud. Lasarcillas montmorilloníticas, tales comola bentonita de Wyoming y algunaslutitas de tipo “gumbo” que sedepositaron en ambientes pobres enpotasio, son selectivas respecto alpotasio. Basándose en cálculosteóricos, Eberl ha determinado que lafijación de potasio en las arcillasesméctitas ocurre cuando la carga decapas es alta e inclina el equilibriohacia el intercambio preferencial decationes con el potasio.

En la Costa del Golfo, el contenidode esmectita de las lutitas y de los“gumbos” se deriva de lameteorización de las rocas ígneas ymetamórficas o de la esmectitasedimentaria reciclada que se derivó ala larga de las rocas ígneas ymetamórficas. Además, las arcillasesméctitas en el Golfo de Méxicofueron sometidas a cierto grado dealteración mediante el proceso llamadodiagénesis por entierro.

Esta alteración diagenética puededividirse en una reacción de dosetapas. La primera etapa es la creaciónde esmectita con capa de alta cargamediante la sustitución de silicio poraluminio en la capa tetraédrica de laesmectita. Luego, la esmectita con capade alta carga se convierte en ilita (enrealidad, capas mixtas deilita/esmectita) mediante la fijación depotasio. Esta fijación de potasio ocurrenaturalmente, incluso cuando lasolución de poros tiene una altarelación de sodio a potasio.

Hay suficiente potasio disponiblepara permitir que las capas de



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Diámetro Iónico Diámetro Hidratado Catión (Å) (Å)

Li+ 1,56 14,6

Na+ 1,90 11,2

K+ 2,66 7,6

NH4+ 2,86 5,0

Mg2+ 1,30 21,6

Ca2+ 1,98 19,2

Al3+ 1,00 18,0

Tabla 3: Radios iónicos y radios de hidratación de loscationes comunes.

Lasreaccionesquímicasentre laarcilla y losiones potasioson únicas…

…las arcillasesméctitas enel Golfo deMéxicofueronsometidas acierto gradodealteración…


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esmectita se transformen en capas deilita en muchos marcos geológicos. Enotros marcos geológicos, latransformación total no puedeproducirse porque no hay suficientepotasio disponible. En marcosgeológicos donde la transformación delas capas de esmectita en capas de ilitaha sido limitada por la falta de potasio,esmectita con capa alta carga puededesarrollarse mediante diagénesis. Asíes con las arcillas esméctitas de laCosta del Golfo. En general tienencapas de alta carga, y una mayorporción de la carga aparecerá en lacapa tetraédrica que debería ser másselectiva respecto al potasio a bajastemperaturas. Por lo tanto, cuando sedispone del potasio proporcionado porel fluido de perforación, incluyendolos lodos base agua salada con una altarelación de sodio a potasio, laconversión de las capas de esmectitacon capa de alta carga en capas de ilitase producirá. Esta reacción tiene comoefecto la estabilización de la lutita.

En algunas lutitas de tipo “gumbo”,las capas de esmectita con capa de altacarga coexisten con las capas deesmectita con capa de baja carga. Lascapas de esmectita con capa de bajacarga no fijarán el potasio, y en loscasos donde la concentración depotasio es considerablemente menorque la concentración de sodio, dichascapas se comportarán de conformidadcon la teoría clásica de intercambio deiones. Por lo tanto, aumentando larelación de potasio a sodio en el lodose ayudará a saturar las capas deesmectita con capa de baja carga, conpotasio y aumentará la estabilizaciónde la lutita.

PROCESOS DE ENLACE DE LASPARTÍCULAS DE ARCILLA

Además de conocer la cantidad ycalidad de las arcillas de un lodo, serequiere conocer el estado deasociación de las partículas de arcilla.Los distintos procesos de enlace de laspartículas de arcilla son importantespara la reología de las suspensiones dearcilla. Estos procesos de enlace deben

ser comprendidos para entender ycontrolar los cambios reológicos en losfluidos de perforación.

Las partículas laminares finas yplanas de arcilla tienen dos superficiesdiferentes. La cara grande o superficieplanar está cargada negativamente y lasuperficie fina del borde está cargadapositivamente donde se interrumpe lared y se expone la superficie del enlaceroto. Estas cargas eléctricas y loscationes intercambiables creanalrededor de las partículas de arcilla uncampo de fuerzas eléctricas quedetermina la manera en que dichaspartículas interactúan las unas con lasotras. Si los iones intercambiables sedisocian de la superficie de la arcilla, lafuerza repulsiva entre las láminascargadas negativamente es grande y lasláminas se dispersarán, alejándose lasunas de las otras. La dispersióncompleta es rara y es probable que sólopueda ocurrir en suspensiones diluidasde montmorillonita sódica purificada.En general se produce un cierto gradode enlaces entre las partículas.

Las partículas de arcilla se asociancuando están en uno de los siguientesestados: agregación, dispersión,floculación o desfloculación (ver laFigura 8). Pueden estar en uno o variosestados de asociación al mismotiempo, con un estado de asociaciónpredominando.

Agregación(cara a cara)

Dispersión Desfloculación

Floculación((borde a cara) (borde a borde)

Figura 8: Asociación de las arcillas.

…procesos deenlace debensercomprendidosparaentender ycontrolar loscambiosreológicos enlos fluidos deperforación.



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La agregación (enlace de cara acara) resulta en la formación deláminas o paquetes más gruesos. Estoreduce el número de partículas ycausa una reducción de la viscosidadplástica. La agregación puede sercausada por la introducción decationes divalentes, tales como Ca2+,en el fluido de perforación. Estopodría resultar de la adición de cal oyeso, o de la perforación de anhidritao cemento. Después del aumentoinicial, la viscosidad disminuirá con eltiempo y la temperatura, hasta llegara un valor inferior al valor inicial.

La dispersión, reacción contraria ala agregación, resulta en un mayornúmero de partículas y viscosidadesplásticas más altas. Las laminillas dearcilla son normalmente agregadasantes de ser hidratadas y ciertadispersión ocurre a medida que sehidratan. El grado de dispersióndepende del contenido de electrolitosen el agua, del tiempo, de latemperatura, de los cationesintercambiables en la arcilla y de laconcentración de arcilla. La dispersiónes más importante cuando lasalinidad es más baja, los tiempos másaltos, las temperaturas más altas y ladureza más baja. Incluso la bentonitade Wyoming no se dispersatotalmente en agua a la temperaturaambiente.

La floculación se refiere a laasociación de borde a borde y/o bordea cara de las partículas, resultando enla formación de una estructura similara un “castillo de naipes”. Esto causaun aumento de la viscosidad,gelificación y filtrado. La severidad deeste aumento depende de las fuerzasque actúan sobre las partículasenlazadas y del número de partículasdisponibles para ser enlazadas.Cualquier cosa que aumenta lasfuerzas repulsivas entre las partículaso causa la contracción de la películade agua adsorbida, tal como laadición de cationes divalentes o lastemperaturas elevadas, puedefomentar la floculación.

La desfloculación es la disociaciónde las partículas floculadas. La adiciónde ciertos productos químicos al lodo

neutraliza las cargas electroquímicasen las arcillas. Esto elimina laatracción que resulta del enlace bordea borde y/o borde a cara entre laspartículas de arcilla. Como ladesfloculación causa una reducciónde la viscosidad, los productosquímicos desfloculantes sonfrecuentemente llamados diluyentes delodo. La desfloculación tambiénpermite la disposición plana de laspartículas de arcilla en el revoque parareducir el filtrado.

RENDIMIENTO DE LAS ARCILLAS

El rendimiento de las arcillas se definecomo el número de barriles de lodo de15 cP (centipoise) que se puedeobtener a partir de una tonelada dematerial seco. La Figura 9 ilustra larazón por la cual se seleccionó 15 cPcomo valor determinante para elrendimiento. La parte crítica de lacurva para todos los tipos de arcillaaparece a 15 cP. Grandes adiciones dearcilla hasta 15 cP aumentan muypoco la viscosidad, mientras que laspequeñas cantidades de arcilla tienenun efecto marcado sobre la viscosidadde más de 15 cP. Esto es cierto nosolamente para las arcillas comerciales,sino también para los sólidos deperforación hidratables. Tambiénresulta válido que una suspensión dearcilla de 15 cP soportará la barita enlos sistemas de lodo densificado.

Este gráfico puede ser muy útil parael ingeniero de lodos. Para unaviscosidad determinada de lasdiferentes arcillas, se puede obtenerdatos relacionados con la densidad dela lechada, el porcentaje de sólidos enpeso, el rendimiento en barriles portonelada, el porcentaje de sólidos envolumen y las libras de sólidos porbarril de lodo.

Por ejemplo, se requiereaproximadamente 20 lb/bbl debentonita (M-I GEL) para producir unlodo con una viscosidad de 15 cP. Porlo tanto, en base al gráfico, este lodocontendría 5,5% sólidos en peso,tendría un rendimiento de 100bbl/tonelada, tendría 2,5% sólidos envolumen, y pesaría unas 8,6 lb/gal.

…los productosquímicosdesfloculantessonfrecuentementellamadosdiluyentes delodo.

…rendimientode las arcillasse define comoel número debarriles de lodode 15 cP que sepuede obtenera partir de unatonelada dematerial seco.


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Figura 9: Curvas de viscosidad resultantes de diferentes sólidos de arcilla.

60

50

40

30

20

10

0

M-I

GEL

SALT

GEL

Sub-

ben

ton

ita

Arci

lla n

ativ

a

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Sólidos (% en peso)

200 100 75 50 40 30 25 20 18 16 14 12 10 9 8Rendimiento (bbl/tonelada de lodo de 15 cP)

2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 25 30Sólidos (% en volumen)

10 20 30 40 50 75 100 150 200 250Sólidos (lb/bbl)

Densidad de la lechada (lb/gal)8,5 9,0 9,5 10,0 10,5 11,0 11,5 12,0

Vis

cosi

dad

(cP)

El rendimiento sería inferior si unaarcilla tomara menos agua. Encomparación, si se hubiera usado sub-bentonita para producir un lodo con unaviscosidad de 15 cP, este lodo contendría18% sólidos en peso, tendría unrendimiento de solamente 28bbl/tonelada, contendría 8,5% sólidos envolumen y pesaría casi 9,4 lb/gal.

Las arcillas tienen muchas aplicacionesen los lodos de perforación. La mejormanera de aumentar la viscosidad de unlodo de perforación usando la menorcantidad posible de sólidos seríaañadiendo una arcilla que tenga el mayorrendimiento (M-I GEL). Los valores másbajos de filtrado pueden ser obtenidoscon la bentonita, porque las partículasgruesas y de tamaño mediano sonproducidas normalmente a partir de laformación. La calidad del lodo será

mejorada utilizando bentonita deWyoming de alta calidad.

M-I GEL y M-I GEL SUPREME sonbentonitas de Wyoming. La diferenciaentre estas dos bentonitas es que labentonita M-I Gel es tratada con muypequeñas cantidades de polímero(peptizada) para aumentar surendimiento, mientras que M-I GELSUPREME es una bentonita no tratada. M-IGEL cumple con la Especificación API13A, Sección 4, especificaciones para“Bentonita”. M-I GEL SUPREME cumple conla Especificación API 13A, Sección 5,especificaciones para “Bentonita NoTratada”. M-I también vende bentonitaOCMA, la cual cumple con laEspecificación API 13A, Sección 6,especificaciones para “Bentonita OCMA”.OBSERVACIÓN: OCMA es la sigla de “OilCompanies Materials Association”.

Gravedad específica de sólidos = 2,4



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FACTORES QUE AFECTAN ELRENDIMIENTO DE LAS ARCILLASLa hidratación y la dispersión de laarcilla seca son muy afectadas si elagua de preparación contiene sal ovarios iones metálicos. Por ejemplo,muchos lodos de perforación sonpreparados con agua salada porrazones de economía y conveniencia.Un análisis típico del agua saladapuede contener los siguientescomponentes:

El agua que contiene cualquierconcentración de sal puede sersaturada con una sal adicional. El aguasalada saturada contieneaproximadamente 315.000 mg/l decloruro de sodio. Se requiereaproximadamente 120 lb/bbl de salpara saturar el agua dulce.

La Figura 10 muestra el efecto devarias concentraciones de estos ionessobre la hidratación de la bentonita.En general, se puede decir que lahidratación de las arcillas a base deagua dulce disminuye rápidamente amedida que las concentraciones deestos iones aumentan.

Este fenómeno es más obvio en lasFiguras 11 y 12. Estos ejemplosdemuestran la hidratación de doscubos idénticos de bentonita, elprimero en agua dulce y el segundo enagua salada. La Figura 11 muestra elcubo de bentonita inicialmente en unvaso de precipitado, y nuevamentedespués de 72 horas. Se puede observarclaramente la hidratación y elhinchamiento consiguiente. La Figura12 muestra el cubo de bentonitainicialmente en el agua salada ynuevamente después de 72 horas. Estáclaro que no se ha producido casininguna hidratación.

El agua que contiene calcio omagnesio se llama agua “dura”. Paraobtener una mayor viscosidad de laarcilla, una de las prácticas consiste en“suavizar” el agua añadiendocarbonato de sodio y soda cáusticapara precipitar el calcio y el magnesio.Cuando la solución tiene altasconcentraciones de cloruro, la única

Partes por Millón Componentes (mg/l)

Sodio 10.550

Cloro 18.970

Sulfato 2.650

Magnesio 1.270

Calcio 400

Potasio 380

Bromo 65

Otros componentes 80

OBSERVACIÓN: El agua salobre puede contener los mismoscomponentes, pero a diferentes concentraciones.

Figura 10: Efecto de la viscosidad cuando se añadebentonita al agua que contiene distintas

concentraciones de sal o calcio.

30

25

20

15

10

5

00 50 100 150 200 250 300

Sal (mg/l x 1.000)0 1,5 3,0 4,5 6,0 7,5 9,0

Calcio (mg/l x 1.000)

Vis

cosi

dad

(cP)

Figura 11: Hidratación de la bentonita en agua dulce.

Inicial Después de 72 horas

Figura 12: Hidratación de la bentonita en agua salada.

Inicial Después de 72 horas

La hidratacióny la dispersiónde la arcillaseca son muyafectadas si elagua depreparacióncontiene sal ovarios ionesmetálicos.

…lahidratación delas arcillas abase de aguadulcedisminuyerápidamente a medida quelasconcentracionesde estos ionesaumentan.

Solución de sal

Solución de calcio

manera de reducir la concentración esdiluyendo con agua dulce.

Cuando el agua de preparación essalada, se puede usar SALT GEL(atapulguita) para lograr la viscosidad.La atapulguita es un mineral único. Suestructura cristalina es en forma deaguja, como lo indica la Figura 12. Sucapacidad para aumentar la viscosidades independiente del agua depreparación. A la mismaconcentración, SALT GEL en cualquiertipo de agua produciría la mismaviscosidad que M-I GEL en agua dulce.La capacidad de aumentar laviscosidad no depende de lahidratación, sino de la medida en quelos paquetes de agujas son sometidosal esfuerzo de corte. La viscosidadresultante es creada por doselementos:1. La formación de estructuras de

escobillas amontonadas por losesfuerzos de corte. Esto presentauna simple analogía con laagitación de paja en agua.

2. Las fuerzas de atracción entrepartículas, creadas por cargas deenlaces rotos en los bordes de agujasrotos por los esfuerzos de corte.Como la arcilla de atapulguita

desarrolla una viscosidad similar encualquier tipo de agua de preparación,se podría preguntar “¿por qué no seusa siempre la atapulguita?” Larespuesta sería (1) mayor costo, (2)falta de control de filtración debido ala forma de las partículas y (3)características reológicas más difícilesde controlar.

La bentonita puede ser usada comoviscosificador eficaz en agua salada sies prehidratada en agua dulce antes deser añadida al agua salada. Resultaconveniente mantener un pH de 9 a10 y tratar la lechada de bentonitaprehidratada con un desfloculanteantes de añadirla al agua salada. Deesta manera, se puede reducir lafloculación inicial seguida por unapérdida de viscosidad causada por ladeshidratación en el ambiente de aguasalada.

Esto está ilustrado en la Figura 14. Sepreparó una lechada de 30 lb/bbl debentonita, dejando que se hidrate.Luego fue añadida a un barrilequivalente de agua con unaconcentración de 100.000 mg/l decloruro de sodio.

Esta figura muestra claramente quela arcilla está dispersa en el aguasalada y las propiedades reológicasindican que la arcilla estádesempeñando su función. La mayorparte de esta viscosidad se perderá conel tiempo mediante la deshidratación,


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Figura 13: Fotomicrografía de partículas de atapulguita.

1⁄4 bbl de lechada de bentonitaprehidratada de 30 lb/bbl

+ =3⁄4 bbl de agua NaCl de100.000 mg/l

1 bbl de lechada con las siguientes propiedadesVA = 47, VP = 15 y PC = 63

Figura 14: Adición de bentonita prehidratada al agua salada.

…la arcilladeatapulguitadesarrollaunaviscosidadsimilar encualquier tipode agua depreparación...

pero una porción permanecerásiempre. La viscosidad resultantesiempre será considerablemente mayorque la viscosidad obtenida al añadirarcilla seca directamente al aguasalada.

Una reacción totalmente diferente seproduce cuando se añade sal o calciodirectamente a una lechada debentonita preparada e hidratada enagua dulce. Las Figuras 15 y 16demuestran esta reacción. Obsérvese elaumento inicial y la disminuciónsubsiguiente de viscosidad descritosanteriormente en relación con lasasociaciones de las partículas de arcilla.

La Figura 15 representa el aumentoinicial de viscosidad debido a lafloculación causada por la adición delcatión divalente Ca2+. Esto, a su vez,causa la agregación de las partículas yuna disminución de la viscosidaddebido a la deshidratación y a lareducción del número de partículas.

La Figura 16 muestrafundamentalmente la misma cosa,excepto que la floculación y laagregación son causadas por la acciónde masas de Na+, debido a suconcentración.

EFECTO DEL PHEn este momento, también resultapertinente considerar el efecto del pHsobre el rendimiento de la bentonita.La Figura 17 ilustra la viscosidad de una

lechada de bentonita en relación condiferentes valores de pH. La mayoría detodos los lodos de perforación sontratados de manera que sean alcalinos,es decir que deberían tener un pHmayor de 7. Como el pH no afecta laviscosidad, una de las principalesconsideraciones es la selección delrango de pH más deseable paraoptimizar las propiedades reológicas delfluido de perforación. El gráfico indicaque la viscosidad de una suspensión debentonita alcanza su punto más bajodentro del rango de pH de 7 a 9,5. Estaes una de las razones por las cuales lamayoría de los fluidos de perforación a



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Figura 15: Efecto del calcio sobre la bentonitaprehidratada.

70

60

50

40

30

20

10

00 1 2 3 4 5 6

Calcio x 100 (mg/l)

Vis

cosi

dad

(cP)

Figura 16: Efecto de la sal sobre la bentonitaprehidratada.

60

50

40

30

20

10

00 1 2 3 4 5 6

Sal (mg/l x 1.000)

Vis

cosi

dad

(cP)

Figura 17: Efecto del pH sobre la bentonita deWyoming.

70

60

50

40

30

20

10

00 2 4 6 8 10 12

pH

Vis

cosi

dad

(cP)

…todos loslodos deperforación...deberíantener un pHmayor de 7.


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base de agua son utilizados dentro deeste rango. Cuando el pH es mayor de9,5, la dispersión de la arcilla aumenta,incrementando la viscosidad del fluidode perforación.

En previas discusiones, se pusoénfasis en la obtención de la mayorviscosidad a partir de la más pequeñaadición de material. La importancia del

pH es que la viscosidad creada porvalores superiores a 10 a veces noguarda proporción con lo que seconsidera ser las propiedades deseablesdel lodo. Por razones obvias, talescomo seguridad y corrosión, los lodosde perforación casi nunca sonutilizados dentro del rango ácido conun pH inferior a 7.

La viscosidad resulta de los esfuerzosde fricción y de los esfuerzos eléctricosque existen dentro de un sistema delodo. Los sólidos se incorporan dentrodel lodo de perforación a medida quela perforación va avanzando. Estossólidos serán triturados y sedescompondrán en partículas muyfinas, causando un aumento de laviscosidad del lodo, a menos que lossólidos sean retirados del sistema. Laperforación a través de varioscontaminantes también causará lafloculación y un aumento de laviscosidad.

Evaluando las propiedadesreológicas del lodo, el ingeniero delodos podrá determinar rápidamentela causa del problema y el tratamientoapropiado para reducir la viscosidad.El agua es eficaz para reducir laviscosidad si el contenido de sólidos esalto, pero no constituye el tratamientomás económico si la viscosidadanormal es causada por la floculaciónquímica (indicada por un alto puntocedente y grandes esfuerzos de gel).Existen varios aditivos no iónicosorgánicos e inorgánicos que puedenser usados para reducir eficazmente lafloculación.

Se considera que el efecto principalde los productos químicos reductoresde viscosidad es la neutralización delas cargas catiónicas de enlaces rotosresiduales. El mecanismo de estaacción en suspensiones de arcilla enagua consiste en reducir la porción dela viscosidad causada por las fuerzasde atracción entre las partículas, sinafectar considerablemente la porción

de la viscosidad que se debe a lahidratación de los minerales arcillosos.Los materiales no iónicos se adsorbenen los bordes de las partículas dearcilla para satisfacer las cargascatiónicas de enlaces rotos residuales.Los productos químicos de cargaaniónica que se usan comúnmentepara el tratamiento del lodo deperforación incluyen fosfatos, taninos,ligninas de ácido húmico (lignito),lignosulfonatos y polímeros sintéticosde bajo peso molecular. Esta adsorciónmodifica el equilibrio de las fuerzasque actúan sobre la partícula dearcilla, pasando de una fuerza deatracción (floculación) a una fuerzarepulsiva (desfloculación). En vez deunirse, las partículas se rechazan otienden a evitar cualquier contactoentre ellas.

Los agentes de tratamiento químicoreducen la floculación en los fluidosde perforación base agua-arcilla,mediante uno o varios de lossiguientes mecanismos.1. Eliminando el contaminante

mediante precipitación.2. Reduciendo los efectos del

contaminante mediante lacomplejación del contaminado(secuestro).

3. Neutralizando la floculaciónmediante la satisfacción de lascargas catiónicas en las partículas dearcilla.

4. Encapsulando o formando unapelícula protectora alrededor de lapartícula de arcilla.

Principios del Tratamiento QuímicoLa viscosidadresulta de losesfuerzos defricción y delos esfuerzoseléctricos queexistendentro de unsistema delodo.



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FOSFATOS

Los dos fosfatos principales usados enel lodo de perforación son:1. Pirofosfato Ácido de Sodio (SAPP),

pH de 4,8.2. Tetrafosfato de Sodio (STP o PHOS),

pH de 8,0.

Estos fosfatos son potentesdispersantes no iónicos y sólo untratamiento pequeño puede producir lamáxima reducción de la viscosidad. Lacantidad de producto de tratamientopara la simple dispersión casi nuncaexcede 0,2 lb/bbl. Esto significa quepara un sistema de 1.000 bbl, sólo serequiere 200 lb para diluir el fluido. Losfosfatos pueden ser añadidosdirectamente a través de la tolva o apartir del barril químico. Si los fosfatosson añadidos a partir del barril químico,se mezclará aproximadamente 50 lb defosfato con un barril de agua. Luego seañade la solución directamente al lodo,de manera uniforme durante unacirculación. Los fosfatos son usados principalmenteen lodos de bajo pH y lodos deperforación inicial. Los fosfatos reducenla viscosidad de dos maneras: (1)neutralizan las fuerzas de atracción alser adsorbidos en la superficie de lossólidos, y (2) eliminan el calcio y elmagnesio. Debido a su bajo pH y a sucapacidad para eliminar el calcio, elSAPP es un excelente agente detratamiento para la contaminación decemento. Los fosfatos casi nunca sonusados solos en el tratamiento del lodo;más bien se usan para complementar elcontrol, junto con la soda cáustica y undiluyente orgánico. Si el SAPP (pH de4,8) fuera usado solo de maneracontinua, el lodo se volvería ácido. Estopodría ser perjudicial y podría causaruna corrosión grave y una viscosidadexcesiva. El PHOS tiene un pH másneutro (8,0), lo cual hace que sea más

adecuado para los tratamientos derutina de dilución del lodo.Los fosfatos tienen una aplicaciónlimitada para el tratamiento. Losmateriales no son diluyentes eficacesdel lodo a temperaturas moderadas. Sila temperatura del lodo excedeconsiderablemente 175ºF (79,4ºC), losfosfatos se transforman en ortofosfatos.Como ortofosfatos, éstos pueden serfloculantes en vez de ser desfloculantes.Esto no descarta la posibilidad deutilizar fosfatos para secuestrar el calcioa altas temperaturas. Comoortofosfatos, estos materiales aún tienenla capacidad de reducir el calcio,aunque su capacidad diluyente seainferior. Además, los fosfatos no soneficaces en mayores concentraciones desal.

LIGNITO

El lignito de base usado para controlar laviscosidad es TANNATHIN® (pH 3,2). Ellignito es menos soluble a un pH bajo;por lo tanto, para que sea eficaz, el pHdel lodo debe estar comprendido dentrodel rango alcalino o el lignito debe serpresolubilizado en una lechada de altopH antes de ser añadido al sistema delodo. En general se añade soda cáusticacon los aditivos de lignito de bajo pH.En la aplicación de campo, la relaciónde soda cáustica a TANNATHIN variará de1:6 a 1:2. La mejor manera de añadir lasligninas es a través de la tolva de lodo.TANNATHIN es más eficaz en los sistemasde lodo que tienen valores de pHcomprendidos entre 9 y 10,5. CAUSTILIG®

es un lignito caustizado que tiene un pHde aproximadamente 9,5. K-17TM es unlignito neutralizado con hidróxido depotasio que tiene un pH deaproximadamente 9,5.

XP-20® (pH 10) es un lignito de cromopre-reaccionado que se usaprincipalmente en conjunción conSPERSENE™ (lignosulfonato de cromo).

…fosfatossondispersantesno iónicospotentes…

Los fosfatosson usadosprincipalmenteen lodos debajo pH ylodos deperforacióninicial.


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Este producto complementa elrendimiento del Sistema deLignosulfonato de Cromo de M-I (CLS osistema SPERSENE/XP-20). Como parteintegrante del sistema de lodoSPERSENE/XP-20, XP-20 actúa comoestabilizador y emulsificante del fluidode perforación. Reduce el filtrado ycontribuye a las propiedades inhibidorasdel lodo. Se trata del principalestabilizador térmico en el sistemaDURATHERM™ de alta temperatura. Laaplicación de XP-20 no se limita a lossistemas de SPERSENE/XP-20 y DURATHERM,y este producto se puede usar en unagran variedad de sistemas desfloculadosa base de agua, para controlar el filtrado,diluir y aumentar la estabilidad térmica.

Los aditivos de lignito facilitan laformación de emulsiones de aceite enagua y en general no son eficaces enaltas concentraciones de calcio. Sólo sonmoderadamente eficaces en altasconcentraciones de sal.

LIGNINAS

Las ligninas constituyen un grupo deproductos similares al lignito y allignosulfonato que provienen de lacorteza de árbol sometida a untratamiento químico. QUEBRACHO es unamezcla de lignina/lignito diseñada paraproporcionar funciones de dilución ycontrol de filtrado. En general, losproductos tánicos son más solubles queotros productos químicos en lodos debajo pH. Son más eficaces a bajastemperaturas y en ambientes de altasalinidad, en comparación con losaditivos a base de lignito. Los taninos

son generalmente más costosos yproducen efectos más breves que ellignito y el lignosulfonato. Desco, unalignina de cromo producida por DrillingSpecialties Co., y Desco CF, una ligninasin cromo, son productos muy usadoscomo diluyentes.

LIGNOSULFONATOSLos lignosulfonatos incluyen

SPERSENE, un lignosulfonato de cromo;SPERSENE CF®, un lignosulfonato sincromo; y SPERSENE I, un lignosulfonatode ferrocromo. Estos aditivos sonmateriales versátiles que tienennumerosas aplicaciones en muchossistemas desfloculados a base de agua.Estos materiales producen buenosresultados a todos los niveles de pHalcalino, pueden ser usados con altosniveles de sal y son eficaces en lapresencia de altos niveles de calcio.

Los aditivos de lignosulfonato tieneun bajo pH (aproximadamente 3,0).Por este motivo, soda cáustica deberíaser añadida con todos lostratamientos de SPERSENE. La cantidadde soda cáustica depende del tipo delodo que se está utilizando, pero engeneral se añade una parte de sodacáustica para cuatro partes de SPERSENE.Este producto no solamente reduce laviscosidad y el esfuerzo de gel, sinoque cuando se usa en cantidadessuficientes, también reduce la pérdidade agua y proporciona un ambienteinhibidor. Las adiciones de SPERSENEson generalmente realizadas a travésde la tolva mezcladora.

Los aditivosde lignitofacilitan laformación deemulsionesde aceite enagua…



CAPÍTULO

4B

APLICACIÓN

La Figura 18 demuestra los cambios deviscosidad que ocurren cuando losvalores de viscosidad plástica y puntocedente son modificados por lacontaminación y el tratamientoquímico. Los datos pueden seranalizados para determinar el efecto delos diferentes materiales añadidos paraestimular cambios sobre la viscosidadMarsh y la viscosidad aparente, luegointerpretar los valores reológicos. Ya seamedida en segundos/cuarto de galóncon el embudo (viscosímetro Marsh) oen cP con el viscosímetro, la viscosidadaparente consta de dos componentes:(1) contenido de sólidos y naturaleza deestos sólidos, y (2) atracciónelectroquímica entre los sólidos.

La viscosidad aumenta a medida quelos contaminantes son introducidos y/oque el contenido de sólidos aumenta. Sila viscosidad Marsh aumenta, entoncesla viscosidad aparente generalmenteaumentará. También es cierto que siuna de las dos disminuye, la otrageneralmente disminuirá. Sin embargo,si se mide solamente la viscosidadaparente, este valor no es muy útil parael control del lodo. La viscosidadplástica, el punto cedente y los esfuerzos degel son los factores importantes. Laviscosidad plástica constituye unamejor medida de la viscosidadestructural que la que se determina apartir de la concentración de sólidos. Elpunto cedente y los esfuerzos de gel sonmás bien medidas de la hidratación yde la floculación de la arcilla. Lospuntos cedentes y esfuerzos de gel enlodos de polímeros xanticos sin arcillason menos afectados por lacontaminación normal, la

floculación/desfloculación y la diluciónde productos químicos no iónicos.

Los principios del tratamientoquímico en un fluido base agua-arcillaestán ilustrados en la Figura 18:1. La introducción de 1/2 lb/bbl de

cemento causó la floculación debidoprincipalmente a la contaminaciónde calcio. Tanto la viscosidad Marshcomo la viscosidad aparenteaumentan. El análisis del gráficoindica que este cambio de viscosidadfue producido por el aumento delpunto cedente (aumento de lasfuerzas de atracción o de lafloculación). La viscosidad plástica nosufrió prácticamente ningún cambioporque la viscosidad plástica se debeprincipalmente a los sólidos.

2. Se añadió 10% de agua parademostrar que el agua no tiene casiningún efecto sobre la reducción delpunto cedente (floculación). El aguano elimina el calcio, el cual causa lafloculación o altas fuerzas deatracción. El agua sólo puedeaumentar la separación de los sólidos,pero no cambia la asociación de lasarcillas ni modifica el punto cedente.

3. La adición de 1 lb/bbl de PHOS (paraquitar el calcio) produce unareducción importante de laviscosidad Marsh y de la viscosidadaparente. Esto fue causado por lareducción del punto cedente. Elpunto cedente fue reducido porque elPHOS reduce la cantidad de calcio ydesflocula las partículas de arcilla.También se ha demostrado que estaadición de producto químico notiene casi ningún efecto sobre laviscosidad plástica.

La viscosidadplástica, elpuntocedente y losesfuerzos degel son losfactoresimportantes.


4B


Figura 18: Principios del tratamiento químico.

120

100

80

60

80

60

40

20

0Lodo 10% 200 10% 1/4 de base agua lb/bbl agua lb/bbl

M-I BAR PHOS1/2 1 1/4 1/4 10%

lb/bbl lb/bbl lb/bbl lb/bbl aguacemento PHOS PHOS cemento +

10 lb/bblarcilla

A B C D E F G H I

VA

, VP

y PC

(cP

o l

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0 pi

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Vis

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arsh

Viscosidad aparenteViscosidad plástica

Punto cedente



CAPÍTULO

4B

4. El segundo aumento de viscosidad(Parte D) fue causado por la adiciónde 200 lb/bbl de barita (sólidosinertes) para aumentar el peso dellodo. El cambio de viscosidadaparente es prácticamente el mismoque antes, pero tiene una causatotalmente diferente. Este cambio deviscosidad fue producido por elaumento de la viscosidad plástica. Laadición de sólidos causó mayorfricción entre los sólidos debido alaumento del área superficial total delos sólidos. El punto cedente sóloaumentó ligeramente porque lossólidos están más cerca los unos delos otros. Cualquier fuerza deatracción será más eficaz debido a lareducción de la distancia entre laspartículas. Sin embargo, la viscosidadMarsh y la viscosidad aparenteaumentaron principalmente debidoal aumento de la viscosidad plástica.En este caso, el tratamiento correctodel lodo consistiría en añadir agua.

5. Se añadió 1/4 lb/bbl de PHOS parademostrar que se puede obtener unaligera reducción de la viscosidad alreducir el punto cedente, y tambiénpara demostrar que el tratamientoquímico solo no reducirá la altaviscosidad de los sólidos. Laviscosidad seguía alta, aún despuésdel tratamiento.

6. El tratamiento correcto para reducirla viscosidad consiste en añadir agua.Se añadió diez % en volumen deagua y se redujo la viscosidadplástica. Tanto la viscosidad Marshcomo la viscosidad aparentedisminuyeron considerablementeporque estas viscosidades dependende la viscosidad plástica. El puntocedente sólo disminuyó ligeramente.

7. La adición de un contaminantequímico y de sólidos reactivos causael tercer aumento de la viscosidad,aumentando tanto el punto cedentecomo la viscosidad plástica. El 1/4lb/bbl de cemento aumentó el puntocedente como en la Parte A. La

viscosidad plástica aumentó cuandose añadieron 10 lb/bbl de arcilla, porla misma razón que la viscosidadaumentó en la Parte D cuando seintrodujeron los sólidos. Sinembargo, hay una diferenciaimportante. Los sólidos de arcilla sehidratan y toman agua. Como haymenos agua libre disponible, lafricción aumenta considerablementecon solamente una pequeña cantidadde sólidos. Para un volumen unitariode sólidos, los sólidos de perforaciónhidratables siempre aumentan laviscosidad más que los sólidosinertes. El tratamiento correcto eneste caso consiste en añadirdiluyentes químicos y agua dedilución para reducir la viscosidadplástica y el punto cedente.

8. La adición de productos químicoscausó una reducción de la viscosidadpor la misma razón que en la Parte C.

9. La adición de agua disminuyó laviscosidad por la misma razón que enla Parte F.

La siguiente generalización puede serrealizada para el control máseconómico de las propiedades de flujo afin de obtener condiciones óptimas:1. Un punto cedente creciente,

acompañado por poco o ningúncambio de la viscosidad plástica,puede ser reducido o controladomediante la adición de diluyentesquímicos en un sistema base agua-arcilla.

2. Una viscosidad plástica creciente,acompañada por poco o ningúncambio del punto cedente, puede serreducida o controlada con el agua omediante el uso de equiposmecánicos de control de sólidos paraeliminar los sólidos no deseados.

3. Los grandes aumentos simultáneosdel punto cedente y de la viscosidadplástica pueden ser reducidos ocontrolados mediante las dos técnicasmencionadas anteriormente.

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Contaminación y Tratamiento

Contaminación y Tratamiento 4C.1 N° de Revisión: A-1 / Fecha de Revisión: 14-02-01

CAPÍTULO

4C

Un contaminante es cualquier tipo dematerial (sólido, líquido o gas) que tieneun efecto perjudicial sobre lascaracterísticas físicas o químicas de unfluido de perforación. Lo que en un tipode fluido de perforación constituye uncontaminante, en otro no seránecesariamente un contaminante.

Los sólidos reactivos de baja densidadson contaminantes comunes en todoslos fluidos de perforación. Estos sólidosse componen de sólidos perforados quese han incorporado dentro del sistema oque resultan del tratamiento excesivocon arcillas comerciales. Desde el puntode vista económico, los sólidosperforados y los problemas relacionadoscon su control tienen un mayor impactosobre el costo del lodo que los otrostipos de contaminación. Sin embargo,este capítulo se centrará principalmenteen los siguientes contaminantesquímicos comunes de los lodos baseagua:1. Anhidrita (CaSO4) o yeso

(CaSO4•2H2O).2. Cemento (silicato complejo de

Ca(OH)2).3. Sal (sal de roca, agua de preparación,

agua salada, magnesio, calcio ycloruro de sodio, y agua irreductible).

4. Gases ácidos, incluyendo el dióxidode carbono (CO2) y el sulfuro dehidrógeno (H2S).Con excepción de los gases ácidos,

estos contaminantes químicos estándirectamente relacionados a lasreacciones de intercambio de iones conlas arcillas. Por lo tanto, la concentraciónde sólidos de tipo arcilloso en un lodobase agua está directamente relacionadacon la severidad con la cual elcontaminante químico afecta laspropiedades del lodo. La Capacidad deAzul de Metileno (MBC) constituye unabuena indicación de la concentración desólidos de tipo arcilloso. Los lodos conniveles de MBC inferiores a 15 lb/bblson menos afectados por lacontaminación química.

Una reacción de intercambio de ionespuede ocurrir cuando la bentonita sódicaestá expuesta a los ambientes químicosque contienen altas concentraciones deotros iones metálicos, floculando

inicialmente, y luego posiblementeconvirtiendo químicamente la bentonitaen una arcilla de rendimiento más bajo.Esto afecta la cantidad de agua adsorbiday el tamaño, la forma y la asociación delas partículas, produciendo lainestabilidad de la reología y del controlde filtrado.

La severidad de estos contaminantesimpuso la necesidad de desarrollarsistemas de lodo capaces de tolerarlos.Estos sistemas incluyen lodos delignosulfonato, lodos de polímeros conbajo contenido de coloides, lodos decalcio, lodos yeso y lodos salados.Muchos de estos sistemas sonpretratados deliberadamente conlignosulfonato, sal (cloruro de sodio) ymateriales cálcicos como la cal o el yeso.Por lo tanto, cuando concentracionesadicionales de estos contaminantes sonencontradas, éstas no tienen casi ningúnefecto sobre los sistemas.

Los objetivos principales de estecapítulo son:• Poner de manifiesto la(s) fuente(s) de

cada contaminante químico• Describir la manera en que cada

contaminante afecta las propiedadesdel lodo.

• Describir la manera de usar loscambios de las propiedades del lodopara identificar al contaminante.

• Describir la manera de tratar el lodopara restablecer las propiedadesoriginales.

Como los cambios de las propiedadesfísicas del lodo, tales como el aumentode la reología y del filtrado debido a lafloculación, son similares con cualquiercontaminante químico que estépresente, dichos cambios de laspropiedades físicas sólo indican queexiste algún contaminante. Seránecesario realizar un análisis de loscambios de las propiedades químicaspara identificar al contaminante. Por lotanto, describiremos detalladamente lasfuentes, los efectos y las opciones detratamiento de cada contaminantequímico. Al final del capítulo se incluyeuna guía de referencia rápida y tablas enunidades métricas e inglesas (ver lasTablas 2, 3 y 4).

Uncontaminantees cualquiertipo dematerial...quetiene un efectoperjudicialsobre lascaracterísticasfísicas oquímicas deun fluido deperforación.

Introducción

Contaminación y TratamientoCAPÍTULO

4C


Hay pocas áreas en el mundo donde nose perfora a través de la anhidrita o delyeso. La anhidrita y el yeso son sulfatosde calcio y tienen composicionesquímicas prácticamente idénticas. Elyeso (CaSO4•2H2O), con su agua fijada,es más soluble que la anhidrita (CaSO4).La severidad de este contaminantedepende principalmente de la cantidadperforada. Si se encuentra solamente unapequeña cantidad de un contaminante,éste puede ser tolerado mediante laprecipitación del ion calcio. Si seencuentran grandes cantidades, elsistema de lodo debería ser convertidoen un sistema a base de calcio. Lossistemas a base de cal y de yeso puedentolerar la contaminación de anhidrita oyeso sin afectar negativamente laspropiedades del lodo.

El efecto inicial de la contaminaciónde calcio sobre un sistema de lodo a basede bentonita es la alta viscosidad, altosesfuerzos de gel y un mayor filtrado. Lamedida en que estas propiedades sonafectadas depende de la concentracióndel contaminante, la concentración desólidos reactivos y la concentración dedesfloculantes químicos en el lodo deperforación.

Como se muestra a continuación, alsolubilizarse en agua, el sulfato de calciose ioniza en iones calcio y sulfato.

CaSO4 Ca2+ + SO42–

La solubilidad de CaSO4 escontrolada por el pH, la salinidad y latemperatura. El aumento del pH y dela temperatura reduce la solubilidaddel yeso, mientras que el aumento delos cloruros del lodo aumenta lasolubilidad. La solubilidad del sulfatode calcio es reversible y alcanzaráalgún grado de equilibrio con elambiente químico.

FACTORES DE DETECCIÓN

La primera indicación decontaminación de anhidrita o yeso esel aumento de las propiedades físicas,incluyendo la viscosidad Marsh, el

punto cedente y los esfuerzos de gel.Será necesario realizar pruebasquímicas para identificar elcontaminante químico que estápresente, porque el aumento de estaspropiedades físicas también constituyela primera indicación de otros tipos decontaminación química. Lasprincipales indicaciones decontaminación de yeso o anhidritaincluyen:1. Aumento de la cantidad de calcio en

el filtrado. Es posible que esteaumento inicialmente no resulteevidente si hay algún excedente deiones carbonato, bicarbonato ofosfato en el lodo, o si se estáaumentando el pH del sistema delodo. Sin embargo, una vez que elyeso solubilizado haya agotado estoselementos químicos, el pHdisminuirá porque el pH del yeso (6a 6,5) es muy bajo. Esta reduccióndel pH resultará en un aumentoimportante de la cantidad de calcioen el filtrado, visto que lasolubilidad del calcio varía enrelación inversamente proporcionalal pH.

2. La reducción del pH y de laalcalinidad y el aumento de lacantidad de calcio en el filtradoconstituyen los indicadores másconfiables.

3. Debido a la solubilidadrelativamente limitada de laanhidrita y del yeso, los recortespueden contener trazas del mineral.Esto es demostrado frecuentementeen los recortes por la presencia debolitas blandas de material solubleen ácido.

4. La prueba cualitativa para el ionsulfato debería indicar un aumento.Sin embargo, esta prueba tambiéndetecta el ion sulfonato. La pruebacarece de sentido si se usalignosulfonato como desfloculanteprincipal, a menos que se efectúeuna comparación con el lodo nocontaminado.

Contaminación de Anhidrita o Yeso

La anhidritay el yeso sonsulfatos decalcio y tienencomposicionesquímicasprácticamenteidénticas.

Lasolubilidadde CaSO4 escontroladapor el pH, lasalinidad ylatemperatura.



CAPÍTULO

4C

TOLERANCIA DEL CONTAMINANTE

Tratamiento del lodo para lacontaminación de yeso/anhidrita:1. Aumentar la concentración de

desfloculante en el sistema. Ellignosulfonato y el lignito sondesfloculantes eficaces en presenciade calcio. Este tratamiento puede sersuficiente, según la cantidadperforada de anhidrita o yeso. Ellignito causa la quelación del ioncalcio, eliminándolo de esa manera.Si hay demasiado calcio, seránecesario usar carbonato de sodio(Na2CO3) para precipitarlo.

2. El pH debe ser mantenido dentrodel rango de 9,5 a 10,5 con sodacáustica (NaOH) o potasa cáustica(KOH). Este rango de pH limita lasolubilidad del yeso y aumenta elrendimiento del lignosulfonato.

3. Cualquiera de los siguientesproductos químicos puede precipitarun aumento de la cantidad de calcioen el filtrado. La precipitación delcalcio con una fuente de ionescarbonato es sumamente eficaz.Debido al bajo pH de laanhidrita/yeso (6 a 6,5), el carbonatode sodio constituye el carbonatopreferido porque tiene un pH másalto (11 a 11,4) que el bicarbonatode sodio (8 a 8,5). Cuando se mezclacarbonato de sodio en agua, el pHaumenta debido a la formación deun ion hidroxilo, de la manerasiguiente:2Na2CO3 + H2O

HCO3 + CO3 + 4Na+ + OH– (pH <11,3)

ISi los iones calcio están presente,éstos se precipitarán como CaCO3insoluble (caliza). La reacción entre elcarbonato de sodio y el yeso es lasiguiente:

Na2CO3 + CaSO4Na2SO4 + CaCO3 (pH >11,3)

Una reacción similar ocurre cuandose usa bicarbonato de sodio comoprecipitante. Los productossecundarios de la reacción soncompuestos químicos tales como elbicarbonato de calcio (Ca(HCO3)2),un material altamente soluble (segúnel pH). Con la cantidad adicional desoda cáustica para mantener el pHencima de 9,7, el ion bicarbonato seconvierte en carbonato. Luegoreacciona con el calcio del filtradopara precipitar CaCO3. Sin embargo,el periodo intermedio durante el cualel ion bicarbonato está presentepuede crear problemas que pueden sercasi tan graves como lacontaminación propiamente dicha.Por lo tanto se prefiere usar carbonatode sodio en vez de bicarbonato desodio. Evitar el tratamiento excesivocon carbonato de sodio obicarbonato. Usar la Tabla 2 paracalcular la cantidad de aditivonecesaria.

Los fosfatos también tienen lacapacidad de complejar el calcio delfiltrado. Esta reacción produce unfosfato de calcio insoluble. Losmateriales comunes de este tipo queestán disponibles incluyen:

Pirofosfato Ácido de Sodio (SAPP) –Na2H2P2O7 (pH 4,8)

Tetrafosfato de Sodio (STP o PHOS)– Na6P4O13 (pH 8,0)

Los fosfatos están limitados por suestabilidad térmica relativamente baja(aproximadamente 200ºF). Cuando seexcede esta temperatura, los fosfatos seconvierten en ortofosfatos. Comotales, no son eficaces comodesfloculantes pero aún son capaces deeliminar el calcio. Sin embargo, elcarbonato de sodio constituye elproducto preferido para tratar el calciode la anhidrita o del yeso atemperaturas mayores de 200ºF.

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CONVIRTIENDO EL SISTEMA EN UNSISTEMA A BASE DE CALCIOCuando se perforan grandes seccionesde anhidrita o yeso, la magnitud de lacontaminación hace que seaprácticamente imposible mantener laspropiedades de flujo y el control defiltrado deseables. Por lo tanto esnecesario añadir sulfato de calcio paraconvertir el sistema en un sistema delodo a base de calcio.

El lodo puede ser convertido en unlodo yeso mediante el tratamiento consoda cáustica, lignosulfonato y yesoadicional. Un lodo yeso es un sistemade bajo pH, pero se requieren grandescantidades de soda cáustica paramantener el pH dentro del rangodeseado de 9,5 a 10,5. Una “cresta” deviscosidad (aumento) ocurrirá amedida que se añade el yeso adicional,pero con las adiciones apropiadas deagua, soda cáustica y lignosulfonato,el tipo de lodo cambiará después deuna circulación y la viscosidaddisminuirá. El yeso es añadido hastaque no tenga ningún efectoperjudicial sobre las propiedades dellodo, después de lo cual se mantieneun excedente de yeso (5 a 8 lb/bbl)para alimentar las reacciones químicasque se están produciendo. Los niveles

típicos de calcio varían de 600 a 1.200mg/l en un lodo yeso, según el pH.

El lodo también puede serconvertido en lodo cálcico mediantela aplicación del tratamiento químicoque acabamos de describir. Paraconvertir el lodo en lodo cálcico, seañade una cantidad adicional de calen vez de yeso, manteniendo unexcedente. Para mantener unexcedente de cal, la mayoría de la caldebe permanecer insoluble. Por lotanto, el pH del lodo cálcico debe sercontrolado en exceso de 11,5,mediante adiciones de soda cáustica ycal. La soda cáustica reacciona con elsulfato de calcio para producir caladicional, de la manera indicada porla siguiente ecuación:

2NaOH + CaSO4Ca(OH)2 + Na2SO4

El lodo resultante tratado con calrequiere una cantidad anormal de sodacáustica para mantener el excedente decal, si se están perforando grandescantidades de anhidrita o yeso. Por lotanto, se prefiere generalmente usar unlodo yeso. Ambos lodos requieren laadición de un agente de control defiltrado que no sea demasiado sensibleal calcio, tal como POLYPAC®, POLY-SAL™,RESINEX®, etc.

En cada pozo que se perfora existe laposibilidad de perforar a través decemento. Las únicas circunstancias bajolas cuales el cemento no es uncontaminante son cuando se usa aguaclara, salmueras, lodos a base de calcioo lodos base aceite, o cuando elcemento está totalmente curado. Elsistema de lodo más usado es el sistemade bentonita de bajo pH. En este caso,el cemento puede tener efectos muyperjudiciales sobre las propiedades dellodo. La severidad del contaminantedepende de factores tales como eltratamiento químico anterior, el tipo yla concentración de sólidos, la cantidadde cemento perforada, y la medida en

que el cemento se curó en el pozo.Debemos recordar que la barita a granelpuede ser contaminada ocasionalmentepor cemento durante el transporte o enel equipo de perforación, y puedecausar una contaminación de cementograve, aunque no se haya anticipadoninguna.

El efecto inicial de la contaminaciónde cemento es la alta viscosidad, altosesfuerzos de gel y la reducción delcontrol de filtrado. Esto resulta delaumento del pH y de la adsorción delion calcio en las partículas de arcilla,causando la floculación.

Contaminación de Cemento

…añadirsulfato decalcio paraconvertir elsistema enun sistemade lodo abase decalcio.

…el cementopuede tenerefectos muyperjudicialessobre laspropiedadesdel lodo.



CAPÍTULO

4C

Cemento es un silicato de calcomplejo, Ca(OH)2. Al solubilizarse enagua o en la fase acuosa de un fluidode perforación, produce unaabundancia de iones hidroxilo (OH–).

Ca(OH)2 Ca2+ + 20H– (pH <11,7)

La reacción anterior es reversible yrepresenta un equilibrio entre laconcentración de cemento y el pH dellodo. La solubilidad de la caldisminuye a medida que el pH dellodo aumenta. Cuando el pH excede11,7, la cal se precipita de la solución.Por lo tanto, la cal se vuelveprácticamente insoluble a un pHmayor de 11,7 y proporciona unexcedente o una reserva de cal noreaccionada, debido a la presencia decemento no disuelto.

La indicación principal de lacontaminación de cemento es unaumento importante del pH, de Pm ydel excedente de cal calculado, talcomo sea medido por Pm y Pf.

Si la cantidad de cemento perforadoes relativamente pequeña, el problemano es grave. El lodo contaminadopuede ser eliminado en la zaranda otratado con desfloculantes yprecipitantes. La etapa de la operaciónde perforación puede ser importantecuando se realiza el tratamiento de lacontaminación de cemento. Unapequeña contaminación puede sertratada eficazmente para dejar unfluido satisfactorio en el pozo comofluido de empaque, pero en muchoscasos no se toma suficiente tiempopara acondicionar el lodocorrectamente. La contaminación decemento a altas Temperaturas deFondo (BHT) debe ser tratada rápida ycompletamente para evitar lagelificación o solidificación que sueleproducirse a altas temperaturas.

Las siguientes opciones deberían serconsideradas cuando se perfora unagran cantidad de cemento:1. Si la operación de cemento se

encuentra en una etapa intermediao final, se debería considerar laposibilidad de usar agua en vez delodo de perforación para perforar elcemento. Esta opción sólo es viablecuando el cemento se encuentra en

un pozo que está totalmenterevestido y cuando no hay ningunacomunicación de presión a travésdel cemento.

2. Si es necesario usar el lodo deperforación, los problemas decontaminación puedengeneralmente resolverse si laoperación de perforación seencuentra en una etapa intermedia.A estas alturas de la operación, sesuele contar con suficiente tiempopara realizar el tratamiento y ladilución gradual a fin deacondicionar el lodo correctamente.

3. Si el pozo está en la etapa determinación, sería necesarioestablecer un tiempo suficiente paratratar apropiadamente lacontaminación de cemento, si no,un problema de gelificación podríadesarrollarse. Si se usa un lodocálcico como fluido de empaque, ellodo podría ser tratado simplementecon desfloculantes y mediante ladilución.

El efecto del pH sobre la solubilidaddel cemento dificulta el tratamientocon precipitantes, a menos que secuente con suficiente tiempo pararealizar la dilución y la reducción delpH. Los iones hidroxilo producidos porel cemento aumentan el pH, haciendoque el calcio (cemento) sea insoluble.Por lo tanto, un lodo muycontaminado puede tener propiedadesde flujo típicamente bajas, debido a lareacción de intercambio de ionescalcio, al alto pH, alta alcalinidad, altoPm, bajo calcio de filtrado y al filtradogeneralmente alto, según laconcentración química del lodo.Siempre se debe tener mucho cuidadoal realizar el tratamiento del lodocontaminado por cemento. Es posibleque las bajas propiedades de flujoderivadas de las pruebas realizadas abajas temperaturas no indiquen lacondición del lodo en el fondo delpozo, especialmente a las temperaturasde fondo mayores de 275ºF. Lagelificación producida por altastemperaturas puede constituir unproblema grave con los lodoscontaminados por el cemento.

Lacontaminaciónde cemento aaltas... (BHT)debe sertratada rápida ycompletamente…


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TOLERANCIA DEL CONTAMINANTE

Tratamiento del fluido deperforación para la contaminaciónde cemento:1. Aumentar la concentración de

desfloculantes en el sistema. Ellignosulfonato y el lignito son muyeficaces en la presencia de calciodentro de un amplio rango de pH. Sise desea lograr un mayor control delfiltrado, los productos TANNATHIN®,RESINEX y XP-20® son muy eficaces enun ambiente que tiene una altaconcentración de calcio. La mayoríade los problemas de contaminaciónde cemento pueden ser tolerados deforma aceptable con este método. Sinembargo, si se perfora una cantidadexcesiva de cemento, el lodo puedeser convertido en un sistema de bajocontenido de cal, si las temperaturaslo permiten.

2. El cemento aumenta la alcalinidad alvolverse soluble. Por lo tanto, no esnecesario añadir soda cáustica con losdesfloculantes. El bajo pH de losdesfloculantes como el lignito y elSAPP compensa algunos de los ioneshidroxilo generados por el cemento.Esto ayuda a reducir el pH y Pm, locual aumenta la solubilidad del

cemento (y calcio), permitiendo laprecipitación.

3. El calcio de filtrado disponible puedeser precipitado por el bicarbonato desodio o el SAPP. Hay diferentesopiniones acerca de cuál de estosproductos es más eficaz, pero elbicarbonato de sodio reduce el pH yPm de la misma manera que el SAPP.

4. Si el cemento es perforado con unsistema de polímeros, los polímerosserán hidrolizados por el alto pH yprecipitados por el calcio (Ca) (ver lasFiguras 1 y 2). Por lo tanto, esnecesario reducir el pH y separar elcalcio (Ca2+) por precipitación loantes posible.

5. En este caso, el ácido cítrico(H3C6H5O7) es el aditivo que se debeusar. Éste precipita el cemento comocitrato de calcio y reduce el pH.Tratamiento con ácido cítrico:2(H3C6H5O7 •H2O) + 3Ca(OH)2 →

Ca3(C6H5O7)2 ↓ + 8H2O

6. La utilización de los equipos deeliminación de sólidos para eliminarlas partículas finas de cementoconstituye otro método para reducirla contaminación. De esta manera seretira el cemento antes de que éstepueda disolverse a un pH más bajo.

Figura 1: Hidrólisis de poliacrilamida en poliacrilato a un pH alto, liberando gas amoníaco.

CHCH

CH 2

C

NH 2O

C

NH 2O

CH

CH 2

C

O–O

CH 2

+2OH–

CHCH

CH 2

C

O–O

C

O–O

CH

CH 2

C

O–O

CH 2

+2NH 3

Figura 2: Precipitación de poliacrilato por calcio.

CHCH

CH 2

C

O–O

C

O–O

CH

CH 2

C

O–O

CH 2

+Ca2+

CHCH

CH 2

C

O–O

C

OO

CH

CH 2

C

OOCa

CH 2

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El bicarbonato de sodio es unexcelente agente de tratamiento parala contaminación de cemento, porqueprecipita el calcio y reduce el pH.Según el pH del fluido, el bicarbonatode sodio forma iones carbonato (CO3

2)y bicarbonato (HCO3

-), los cualesprecipitarán el calcio para formarcarbonato de calcio (caliza), de lamanera indicada a continuación:

NaHCO3 + Ca(OH)2 →NaOH + H2O + CaCO3 ↓

El uso de bicarbonato reduce el pH.Esto resulta de la reacción de HCO3con NaOH requerida para convertirHCO3 en CO3.

Cuando se usa bicarbonato de sodio,el objetivo es proporcionar una fuentede iones carbonato y bicarbonato quese combinarán con los excedentes deiones cal y calcio. Uno de losproblemas que surge frecuentementecon este tipo de tratamiento es el usode una cantidad excesiva decarbonatos. Si la cantidad decarbonatos presentes excede lacantidad requerida para precipitar elcalcio, los problemas del lodorelacionados con los carbonatospueden surgir. En general, la mejormanera de proceder consiste en tratarinicialmente la contaminación decemento con una cantidadinsuficiente, observando los resultadosantes de realizar tratamientosadicionales.

Otro método de tratamiento delcemento consiste en usar SAPP(fosfato). Los fosfatos eliminaneficazmente el calcio y ayudan adesflocular el fluido contaminado. Losfosfatos que se usan comúnmente seconvierten en ortofosfatos cuando lastemperaturas exceden ±200ºF. En estaforma, los fosfatos dejan de sereficaces como desfloculantes, perosiguen eliminando el calcio coneficacia.

Una ventaja adicional del uso defosfatos es la reducción del pH, Pf yPm. El SAPP tiene un pH de 4,8 y elPHOS tiene un pH de 8,0. Otraventaja es que esta reacción noproduce ninguno de los productossecundarios dañinos que pueden crearotros problemas del lodo. Se prefiereusar SAPP cuando se requiere lograruna reducción importante de Pm.

Si se requiere perforar una grancantidad de cemento, será necesariousar algún tipo de ácido. Aunque seuse bicarbonato para eliminar todo elcalcio y el excedente de cal, se obtienegeneralmente un pH demasiado alto.En estos casos, será necesariocombinar ácido cítrico, SAPP, ácidoacético o lignito o lignosulfonato debajo pH con el bicarbonato.

OBSERVACIÓN: El carbonato de sodiono debe ser usado para tratar lacontaminación de cemento, debido a sualto pH.

La contaminación química causadapor los carbonatos solubles es uno delos conceptos menos comprendidos ymás complicados de la químicarelacionada con fluidos de perforación.La contaminación decarbonatos/bicarbonatos resultageneralmente en la alta viscosidad de

la línea de flujo, un alto punto cedentey esfuerzos de gel progresivos, y podríacausar la solidificación del lodo. Estosaumentos de la viscosidad sonproducidos cuando los carbonatos y/obicarbonatos floculan los sólidos detipo arcilloso en el lodo.

Contaminación de Carbonatos

Los fosfatoseliminaneficazmente el calcio yayudan adesflocular el fluidocontaminado.

Si se requiereperforar una grancantidad de cemento,seránecesariousar algúntipo deácido…

Las fuentes de carbonatos ybicarbonatos son las siguientes:1. El dióxido de carbono (CO2) del

aire se incorpora en el lodo a travésde las tolvas mezcladoras de lodo enlos tanques de lodo, y mediante lasdescargas de los equipos utilizadospara mezclar el lodo y eliminar lossólidos. Al disolverse, el CO2 setransforma en ácido carbónico(H2CO3) y es convertido enbicarbonatos (HCO3) y/o carbonatos(CO3) según el pH del lodo.

2. Los excedentes de carbonato desodio o bicarbonato de sodio queresultan del tratamiento de lacontaminación de cemento o yeso.

3. El gas CO2 proveniente de laformación y agua de formación.

4. Bicarbonatos y/o carbonatos de losproductos secundarios de ladegradación térmica dellignosulfonato y del lignito atemperaturas mayores de 325°F.

5. Algunas baritas impuras contieneniones carbonato/bicarbonato.

Las siguientes ecuaciones químicasilustran la manera en que el CO2 sedisuelve para formar ácido carbónico(H2CO3) y se convierte enbicarbonatos (HCO3) y/o carbonatos(CO3), según el pH del lodo. Estasecuaciones indican que las reaccionesquímicas son reversibles de acuerdocon el pH. Por lo tanto, el CO3 puedetransformarse de nuevo en HCO3, oincluso CO2, si se permite que el pHdisminuya.

CO2 + H2O H2CO3

H2CO3 + OH– HCO3– + H2O y

HCO3– OH– CO3

2– + H2O

Esto también está ilustradográficamente en la Figura 3, la cualmuestra la distribución del ácidocarbónico (H2CO3), del bicarbonato(HCO3) y de los carbonatos (CO3) enrelación con el pH.

USANDO EL ANÁLISIS QUÍMICO PARAIDENTIFICAR EL CONTAMINANTE DECARBONATO/BICARBONATO

El método de pH/Pf usado para realizarel análisis de carbonatos/bicarbonatosestá basado en la cantidad (ml) deácido sulfúrico 0,02 N (H2SO4)requerida para reducir el pH de unamuestra de filtrado de lodo, a partir deun pH existente hasta un pH de 8,3.Esto cubre el rango de pH en el cual loshidroxilos y carbonatos existen.

La Tabla 1 muestra que cuando nohay carbonatos, se requiere muy pocasoda cáustica para lograr los rangostípicos de pH de los fluidos deperforación, y que la Pfcorrespondiente también es baja.Ejemplos: pH 10, 0,0014 lb/bbl de sodacáustica y Pf de 0,005, o pH 11, 0,014lb/bbl de soda cáustica y Pf de 0,05. LaPf es baja porque la concentración deiones OH (soda cáustica) es baja. Serequiere una concentración muy bajade iones hidrógeno (H) del ácidosulfúrico (H2SO4) para convertir losiones OH en agua (HOH) y reducir elpH a 8,3, (el punto final Pf). Sinembargo, si los iones carbonatoexisten, además del hecho que losiones OH deben ser neutralizados de lamanera indicada anteriormente, cadaion carbonato debe ser convertido enun ion bicarbonato mediante laadición de ácido sulfúrico 0,02 N paralograr el punto final Pf del pH 8,3. Estoaumenta el valor de Pf (para un pHequivalente) en un filtrado que

100

80

60

40

20

0

H2CO3 CO32-

HCO3-

HCO3- HCO3

-

El aumento de lasalinidad desplazalas curvas hacia la

izquierdaPorc

enta

je

0 2 4 6 8 10 12 14pH

Figura 3: Equilibrio carbonato-bicarbonato.


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contiene carbonatos, en comparacióncon un filtrado que no contienecarbonatos. Esta diferencia entre elvalor de Pf cuando existen carbonatos yel valor de Pf cuando no existencarbonatos, y una medida del pH de laconcentración de hidroxilos hacen quesea posible calcular la concentración decarbonatos y bicarbonatos. Una vezque se conoce la concentración decarbonatos, se puede calcular laconcentración de calcio requerida paraseparar los carbonatos porprecipitación.

El método de Pf/Mf usado para realizarel análisis de carbonatos/ bicarbonatosestá basado en la cantidad (ml) deácido sulfúrico 0,02 N requerida parareducir el pH de una muestra defiltrado de lodo, desde un pH existentehasta un pH de 8,3 y un pH de 4,3,respectivamente. Este rango tambiéncubre el rango de pH en el cual existenlos carbonatos, los bicarbonatos y elácido carbónico. Como se mencionóanteriormente, cuando no haycarbonatos, se requiere muy poca sodacáustica para lograr los rangos típicosde pH de los fluidos de perforación, ylos valores correspondientes de Pf y Mfson bajos. Sin embargo, si los ionescarbonato/ bicarbonato existen,además del hecho que los ioneshidroxilo deben ser neutralizados, cadaion carbonato debe ser convertido enun ion bicarbonato mediante laadición de ácido sulfúrico para lograr elpunto final Pf del pH 8,3. Esto aumentael valor de Pf para un pH equivalentecuando iones carbonato/ bicarbonatoestán presentes, en comparación con

un lodo que no tiene ionescarbonato/bicarbonato. Cuando todoslos carbonatos han sido convertidos enbicarbonatos y después de alcanzar elpunto final de Pf 8,3, se debe añadirácido sulfúrico 0,02 N para convertirtodos los bicarbonatos en ácidocarbónico, antes de lograr el puntofinal de Mf 4,3.

Si no existe ningún ioncarbonato/bicarbonato, no se produciráninguna reacción con los bicarbonatosen el rango de 8,3 a 4,3. Por lo tanto, elvalor de Mf sólo será ligeramente másalto que el valor de Pf. Pero si laconcentración de carbonato/bicarbonato es alta, el valor de Mf serámucho más alto que el valor de Pf.Como este método no constituye unanálisis cualitativo como el método depH/Pf, algunas pautas deben serestablecidas.1. Si el valor de Mf es inferior a 5 ml de

ácido sulfúrico 0,02 N, generalmenteno hay ningún problemarelacionado con carbonatos.

2. Si el valor de Mf es superior a 5 mlde ácido sulfúrico 0,02 N, y larelación Mf/Pf está aumentando, esmuy probable que la contaminaciónde carbonatos haya ocurrido y sedebería usar un método dedeterminación más cuantitativo (talcomo el método de pH/Pf o el Trende Gas de Garrett (GGT)).

OBSERVACIONES:1. Altas concentraciones de lignito (o

sales orgánicas como los acetatos oformiatos) en los lodos puedencausar un alto valor de Mf. Estosproductos químicos orgánicosamortiguan el pH entre 4,3 y 8,3.

2. API 13B-1 describe un cálculo dePf/Mf para las concentraciones dehidroxilo (OH), carbonato (CO3) ybicarbonato (HCO3), así como otrométodo de P1/P2.

El GGT también puede ser usadopara determinar la cantidad decarbonatos. Este dispositivo estima eltotal de carbonatos en mg/l comoCO3. El total de carbonatos incluyeHCO3 y CO3. Para convertir mg/l enmilimoles/litro, dividir mg /l por 60.

Tabla 1: Relación entre el pH y la alcalinidad para elagua pura.

NaOH Pf OH–

pH (lb/bbl) (cc 0,02N H2SO4) (ppm)

7 0,0000014 0,000005 0,0017

8 0,000014 0,00005 0,017

9 0,00014 0,0005 0,17

10 0,0014 0,005 1,7

11 0,014 0,05 17

12 0,14 0,5 170

13 1,4 5 1.700

14 14 50 17.000

Una vez que seconoce laconcentraciónde carbonatos,se puedecalcular laconcentraciónde calciorequerida paraseparar loscarbonatos porprecipitación.


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TRATAMIENTO DE UN CONTAMINANTE DECARBONATO/BICARBONATO

El tratamiento de este contaminantees complicado porque los iones HCO3y CO3 pueden existir juntos a variosniveles de pH. Sólo el ion CO3 puedeser tratado con el calcio libre paraformar el precipitado CaCO3. Lacoexistencia de CO3 y HCO3 forma uncompuesto amortiguador quepermanece al mismo nivel de pH perocon niveles crecientes de Pf y Mf. Amedida que la zona amortiguadora decarbonato/bicarbonato se forma, elvalor de Pf aumenta mientras que elpH permanece relativamenteconstante. Todos los iones bicarbonatono son convertidos en ionescarbonato hasta que se alcance un pHde 11,7. Por lo tanto, los ionesbicarbonato/carbonato coexisten en elrango de pH de 8,3 a 11,7 (ver laFigura 3). La concentración de HCO3no tiene importancia cuando el pH essuperior a 11,7.

Como el bicarbonato de calcio[Ca(HCO3)2] es demasiado solublepara formar un precipitado, los ionesHCO3 deberían ser convertidos eniones CO3 con (iones) hidroxilo. Paraconvertir HCO3 en CO3, el pH deberíaser aumentado hasta por lo menos10,3, pero sin exceder 11,3. Cuando seañade calcio libre al CO3, los dosreaccionan para formar CaCO3. Elcarbonato de calcio (CaCO3) es unprecipitado relativamente insoluble.Por lo tanto, una concentración decalcio libre de 150 a 200 mg/l deberíaser mantenida en el sistema. Si el pHes inferior a 10,3, la cal (Ca(OH)2)debería ser usada para aumentar el pH,porque constituye una fuente de ioneshidroxilo y de calcio para precipitarlos carbonatos. Si el pH está

comprendido entre 10,3 y 11,3, la caly el yeso deberían ser usados juntospara proporcionar una fuente decalcio sin modificar el pH. Si el pH dellodo es superior a 11,3, pH al cual elcalcio es poco soluble, se debería usaryeso como fuente de calcio y parareducir el pH. La concentraciónrequerida de cal y yeso está indicadaen los Gráficos 1 y 2, y en losprogramas de computadora de M-Itales como PCMOD™ 3 y M-I QUICKCALC-II™. Estos gráficos están basadosen el método de tratamiento de Pf/pH.Por lo tanto, los valores de pH y Pfdeben ser medidos con precisión. Seráimprescindible contar con un medidorde pH preciso para utilizar estosgráficos.

La reacción de cal y yeso paraformar el carbonato de calcio se ilustraa continuación:

Tratamiento con cal:: (CO3

2–) + Ca(OH)2CaCO3 ↓ + 2(OH–)

Tratamiento con yeso:(CO3

2–) + CaSO4CaCO3 ↓ + (SO4

2–)

Varias aplicaciones de cal o yeso envarias circulaciones pueden ser necesariaspara tratar completamente loscarbonatos (CO3).

Problemas graves del lodo puedensurgir si la contaminación decarbonatos/bicarbonatos no esidentificada y tratada correctamente.Si se permite que el pH del lodo bajehasta 10 o menos, los carbonatos, loscuales son beneficiosos en bajasconcentraciones, se convertirán enbicarbonatos. Si esto ocurre,viscosidades y esfuerzos de gel muyaltos pueden desarrollarse. La adiciónde una gran concentración de

Variasaplicaciones decal o yeso sobrevariascirculacionespueden sernecesarias paratratarcompletamentelos carbonatos.



CAPÍTULO

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desfloculantes y soda cáustica parecedesflocular el lodo, pero lo que sucederealmente es que la adición de sodacáustica convierte los bicarbonatos encarbonatos. Esto resulta en unareducción importante de la viscosidad(ver la Figura 4). Este fenómeno serepetirá hasta que el problema seacorrectamente identificado y tratado.

La adición de desfloculantes puedeser necesaria para mejorar laspropiedades de flujo después de quelos iones carbonato hayan sidoneutralizados.

Los tratamientos determinados porlos siguientes métodos estándiseñados para eliminar todos losbicarbonatos y todos menos 20milimoles/litro de carbonatos. LosGráficos I y II presentan un análisiscuantitativo de los iones carbonato y

bicarbonato, con los aditivoscorrespondientes que son necesariospara la precipitación. El pH, Pf y lafracción de agua (Fw) del fluido debenser conocidos para utilizar estosgráficos. El Gráfico I ha sidomodificado para permitir que quedeuna concentración de 20milimoles/litro de carbonatos en ellodo después del tratamiento.

MÉTODO A (USANDO SOLAMENTE CAL)En el Gráfico I, partir del valor de Pf enel eje vertical y avanzarhorizontalmente hasta la intersecciónde la línea de pH. A partir de estepunto, proceder hacia abajo hasta laintersección del eje horizontal y leer laconcentración de carbonato enmilimoles por litro. Luego, subir hastala parte superior del gráfico y leer laslibras por barril de cal requeridas paraprecipitar los carbonatos. El Gráfico IIindica la concentración y eltratamiento de bicarbonatos, y se usade la misma manera. Partir del valor dePf en el eje vertical, avanzando hasta lalínea de pH y subiendo hasta la partesuperior del gráfico para determinar laslibras por barril de cal requeridas paraprecipitar los bicarbonatos. Sumar lacantidad de cal de ambos gráficos ymultiplicar por la fracción de agua (Fw)para determinar el tratamientonecesario.

Pun

to c

eden

te (

lb/1

00ft

2 )

60

50

40

30

20

10

0

CO3

HCO3

Figura 4: Efecto de la concentración de bicarbonatos ycarbonatos sobre el punto cedente.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200Milimoles/litro

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Ejemplo:pH = 10,7; Pf = 1,7; FW = 0,80

A partir del Gráfico I:CO3 = 33,5 milimoles/litroCal requerida = 0,34 lb/bbl

A partir del Gráfico II: HCO3 = 3,3 milimoles/litroCal requerida = 0 lb/bbl

Tratamiento total = (0,34 lb/bbl + 0 lb/bbl)(0,80) = 0,27 lb/bbl cal

MÉTODO B (USANDO CAL Y YESO PARAUN PH CONSTANTE)En el Gráfico I, partir del valor de Pfen el eje vertical y avanzarhorizontalmente hasta la intersección

de la línea de pH. A partir de estepunto, proceder hacia abajo hasta laintersección del eje horizontal y leerla concentración de carbonato enmilimoles por litro. Seguir hacia abajoy leer las libras por barril de yesorequeridas para la precipitación de loscarbonatos. El Gráfico II indica laconcentración y los tratamientos debicarbonatos, y se usa de la mismamanera. La escala inferior indica lacantidad de cal y yeso necesaria parala precipitación a un pH constante.Luego, las cantidades de cal y yesorequeridas para el tratamiento de loscarbonatos y bicarbonatos sonsumadas y ajustadas para tener encuenta la fracción de agua del lodo.

Gráfico I: Concentración y tratamientos para carbonatos.

P f(c

m3 )

100,080,0

60,0

40,0

20,0

10,08,06,0

4,0

2,0

1,00,80,6

0,4

0,2

0,0

Cal requerida (lb/bbl)

0,1 0,5 1 2 3 4 6 8 10

0.1 0,51 2 3 4 6 8 10 20 30 50Yeso requerido (lb/bbl)

Para un pH constante

<1011,0

11,5

11,611,711,811,912,0

12,2

12,4

12,6

12,8

13,0

13,2

13,4

13,6

13,8

14,0

12,1

12,3

12,5

12,7

12,9

13,1

13,3

13,5

13,7

13,9

Ejemplo:pH = 10,7; Pf = 1,7; Wf = 0,0

1 3 6 10 30 60 100 200 300 600 1.000Milimoles/litro

60 ppm 600 6.000 60.000CO3 (milimoles/litro)

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Ejemplo:pH = 10,7; Pf = 1,7; FW = 0,80

A partir del Gráfico I:CO3 = 33,5 milimoles/litroYeso requerido = 0,8 lb/bbl

From Graph II: HCO3 = 3,3 milimoles/litroYeso requerido = 0,1 lb/bblCal requerida = 0 lb/bbl

Tratamiento total = (0 lb/bbl)(0,80) = 0 lb/bbl lime and(0,8 lb/bbl + 0,1 lb/bbl)(0,80) =0,72 lb/bbl yeso

Las cantidades de cal o de cal y yesodeterminadas a partir de los gráficosdeben ser multiplicadas por la fracciónde agua (Fw) para determinar eltratamiento requerido.

Cuando se usa el antiguo métodoP1/P2 de API para determinar loscarbonatos, se usan Equivalentes enPartes por Millón (EPM). Paraconvertir EPM en milimoles/litro, sedivide EPM por la valencia. Porejemplo: 80 EPM de carbonato es lomismo que 40 milimoles/litro decarbonato porque CO3 tiene unavalencia de 2, y 20 EPM debicarbonato es lo mismo que 20milimoles/litro de bicarbonato porqueHCO3 tiene una valencia de uno. Elmétodo P1/P2 actual de API 13B-1indica los resultados en mg/l. Dividirmg/l carbonato por 60 para obtenermilimoles por litro (61 parabicarbonatos).

Gráfico II: Concentración y tratamientos para bicarbonatos.

P f(c

m3 )

100,080,060,0

40,0

20,0

10,0

8,06,0

4,0

2,0

1,00,80,6

0.4

0,2

0,0

Cal usando solamente la cal (lb/bbl)0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 1,0 2,0 3,0 4,0 6,0 8,0 10,0

Yeso requerido (lb/bbl)

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,81,0 2,.0 3,0 4,0 5,0 6,0 8,0 10,0

y cal requerida (lb/bbl)

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 8,0 10,0

Para un pH constante

9,0

9,5

10,0

10,5

11,0

11,5

Ejemplo:pH = 10,7Pf = 1,7Wf = 0,80

1 3 6 10 30 60 100 200 300 600 1.000HCO3 ((milimoles/litro)

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Los tres tipos de sales de roca naturalesencontradas durante las operacionesde perforación son la halita (NaCl), lasilvita (KCl) y la carnalita(KMgCl3•6H2O); consultar también elcapítulo titulado “Perforación deSales”. Estas sales están clasificadas pororden de solubilidad creciente. Otrasdos sales comunes son el cloruro demagnesio (MgCl2) y el cloruro decalcio (CaCl2). Estas dos sales noexisten naturalmente en la formacristalina, debido a su extremasolubilidad. Sin embargo, ambaspueden existir individualmente, juntaso con otras sales disueltas en aguairreductible.

Un flujo de agua salada puede sermucho más perjudicial para laspropiedades de flujo que la perforacióndentro de sal de roca, porque las salesya están solubilizadas y reaccionanmás rápidamente con las arcillas.Cuando se produce algún flujo de aguasalada, la densidad del lodo debe seraumentada para controlar el flujoantes de que se pueda tomar el tiempode acondicionar las propiedades dellodo.

En el caso de las sales, el mecanismode contaminación está basado en lasreacciones de intercambio catiónicocon las arcillas, la acción de masas porel catión predominante y, a veces, elpH. Los únicos sistemas sobres loscuales las sales disueltas no tienen casiningún efecto son los sistemas de aguaclara, las salmueras, los lodos baseaceite y algunos sistemas de polímeroscon bajo contenido de coloides. Lossistemas de lodo a base de bentonitano son afectados de diferentes manerassegún el origen de la sal, ya sea el aguade preparación, agua salada, sal de rocao los flujos de agua salada. Los efectosiniciales son la alta viscosidad, altosesfuerzos de gel, un filtrado alto y unaumento importante del contenido decloruros, acompañado por pequeñosaumentos de la dureza en el filtradodel lodo. Se produce un intercambiocatiónico entre la sal y las arcillas paraexpulsar el ion calcio de las partículasde arcilla, lo cual resulta en unaumento de la dureza. La detección de

un aumento de cloruros no define elproblema con suficiente precisión paradeterminar la mejor manera de tratarel lodo, ya que la prueba de clorurosno identifica el ion o los ionesmetálicos que están asociados con loscloruros.

Para lograr un mejor entendimientode estas sales y de la manera de tratarla contaminación en cada caso, lassales y/o sus cationes asociados sedescriben separadamente.

HALITA (NaCl)La halita (sal común) es la sal que

perforada con más frecuencia yconstituye el principal componente dela mayoría de los flujos de agua salada.El efecto inicial sobre el lodo deperforación es la floculación de lasarcillas causada por la acción de masasdel ion sodio. La viscosidad Marsh, elpunto cedente, los esfuerzos de gel y elfiltrado aumentan cuando se encuentrala halita. La presencia de halita puedeser confirmada por un aumento de loscloruros. Las arcillas se deshidratancuando hay suficiente sodio y tiempo.Cuando esto ocurre, el tamaño de lapartícula disminuye debido a lareducción de agua adsorbida. El agualiberada se reincorpora a la fase continuadel lodo, lo cual puede resultar en unaligera reducción de la viscosidadplástica. Pero las partículas de arcilladeshidratada floculan, causando un altopunto cedente, altos esfuerzos de gel yun filtrado alto. El filtrado aumentará enproporción directa a la cantidad de salque se ha incorporado en el lodo.

El tratamiento del lodo incluye añadirsuficiente desfloculante para mantenerlas propiedades de flujo y la dilucióncon agua dulce deseables a fin deobtener una reología adecuada. Se debecontinuar el tratamiento químico hastaque las arcillas estén desfloculadas. Serequiere una cantidad adicional de sodacáustica para aumentar el pH. Estodepende de la cantidad de sal perforaday de si existe una cantidad suficientepara deshidratar todas las arcillascontenidas en el sistema. Si el pHdisminuye hasta menos de 9,5, seránecesario aumentarlo con soda cáustica

Contaminación de Sal

La halita...esla salperforadacon másfrecuencia yconstituye elprincipalcomponentede lamayoría delos flujos deagua salada.

La presenciade halitapuede serconfirmadapor unaumento delos cloruros.



CAPÍTULO

4C

para que los desfloculantes base ácido sevuelvan solubles a fin de ser eficaces.

La halita pura tiene un pH de 7. Por lotanto, cuanto más halita se perfore, mássoda cáustica será requerida paramantener el pH a más de 9,5. La halitatambién tiene un efecto sobre losinstrumentos usados para medir el pH.Si se usa papel indicador de pH, laprecisión de este papel será afectada porla concentración de cloruros y el papelindicará un pH más bajo a medida quela concentración de cloruros aumenta.Si la halita es pura, el pH no deberíasufrir ninguna reducción de más de unaunidad hasta que se alcance lasaturación total del lodo. Sin embargo,es muy raro que se encuentre halitapura. Minerales asociados tales como laanhidrita están generalmente presentesen cierta medida, lo cual aumentará elcalcio del filtrado. Por lo tanto, se sueleañadir un poco de soda cáustica con losdesfloculantes para mantener el pHdentro del rango apropiado.

Se puede lograr una mayor precisióncuando un medidor de pH estádisponible. La sonda usadanormalmente en este instrumentocontiene una solución de cloruro depotasio (KCl) y da indicacionesincorrectas cuando mide el pH ensoluciones que tienen un alto contenidode sodio. Por lo tanto, debería usarseuna sonda especial compensada parasales para medir el pH en lodos de altocontenido de sal.

Se utiliza la valoración del cloruro paraindicar el grado de saturación de lassoluciones de NaCl, porque no existeninguna medición cuantitativa del sodioque pueda ser usada en el campo. Yaque ni el sodio ni el cloruro pueden serprecipitados económicamente a partirdel lodo, no queda otra alternativa quetolerar la concentración de halita queentra en el sistema de lodo. La dilucióncon agua dulce es la única maneraeconómica de reducir la concentraciónde cloruros.

Si se debe perforar a través de salmaciza o frecuentes venitas de sal, ellodo debería estar saturado de sal paraevitar derrumbes y el hundimiento delpozo. Que el lodo esté saturado o no, serequiere generalmente un agente decontrol de filtrado, cuando lasconcentraciones son mayores de 10.000

mg/l. Éste puede ser cualquiera de variosmateriales como RESINEX, POLY-SAL, SP-101®, MY-LO-JEL™, POLYPAC y bentonitaprehidratada. En general, cualquiera quesea el tipo de contaminación de sal, serecomienda añadir bentonita. Bajo estascircunstancias, la bentonita seca nodebería ser añadida directamente alsistema. La bentonita debería serprehidratada y protegida con otroproducto químico, antes de ser añadidaal sistema activo.

SILVITA (KCl)La contaminación de silvita produce lamisma reacción de las propiedades dellodo y requiere el mismo tratamientodel lodo que la contaminación dehalita. Si el lodo no contiene cloruros,excepto los que se obtienen al perforarla sal de silvita, el valor de la valoracióndel cloruro constituiría una medidaprecisa de la concentración de ionespotasio. Sin embargo, esto casi nuncaocurre. No es raro que estas sales esténinterestratificadas. La valoracióncuantitativa del ion potasio puede serutilizada para identificar la sal comosilvita pura o silvita parcial, a efectosgeológicos.

Es importante conocer el tipo de salque se perforará. Como la solubilidadde la silvita es ligeramente más alta quela halita, una sección de sal de silvitamaciza perforada con un fluidosaturado de halita aún puedederrumbarse en cierta medida, aunqueno con la misma severidad que si seusara agua dulce. Es difícil preparar unfluido saturado de KCl que tengapropiedades de flujo deseables, unbuen control de filtrado y buenascaracterísticas de suspensión. Sinembargo, si fuera necesario (ysuponiendo que las condiciones delpozo lo permiten), se podría usar unfluido claro saturado de KCl.

CARNALITA (KMgCl3•6H2O)La sal compleja “carnalita” esrelativamente rara. Sin embargo, estasal existe en cierta medida en algunaspartes de los Estados Unidos,Sudamérica, Europa y el MedioOriente. El caso más notable es el deEuropa del Norte, donde la carnalitasubyace el área de perforación del Mardel Norte. Se trata de la sal de

La salcompleja“carnalita” esrelativamenterara.


4C


Zechstein, la cual se compone dehalita, silvita y carnalitainterestratificadas. Los problemas dellodo asociados con la carnalita songraves y tienen dos aspectos:1. Cuando está solubilizada, dos

cationes fuertes (calcio y magnesio)actúan sobre las arcillas para causarla floculación y la deshidratación. Siéste fuera el único problema, eltratamiento del lodo no seríademasiado complicado.

2. En la presencia de iones hidroxilo(OH-), el magnesio de la carnalitadisuelta se precipita comohidróxido de magnesio (Mg(OH)2).Este precipitado (Mg(OH)2) es unasustancia gelatinosa espesa queactúa como viscosificador. Al pHrelativamente bajo de 9,9, haysuficientes iones hidroxilo presentespara que el precipitado tenga unprofundo efecto sobre la viscosidaddel lodo. El magnesio sólo puede serprecipitado por la soda cáustica.Esta reacción empieza a producirsecon solamente 0,03 lb/bbl de sodacáustica. Por lo tanto, si es posible,la soda cáustica no debería usarse. Siel magnesio es precipitado por la

soda cáustica, la viscosidadaumentará.La mayoría de los lodos de

perforación son circulados en el estadoalcalino para maximizar elrendimiento de las arcillas y otrosproductos químicos usados para tratarlos fluidos de perforación. Tambiénson circulados en el estado alcalinopara minimizar la corrosión. El calciodebería ser eliminado aumentando elpH y tratando con carbonato de sodiopara neutralizar el calcio comoCaCO3. El sulfato de sodio (Na2SO4) esuno de los productos químicos queestán disponibles para controlar elcalcio del filtrado en fluidos quetienen un alto contenido demagnesio. La reacción química es lasiguiente:

Na2SO4 + Ca2+ → 2 Na+ + CaSO4↓

Esta reacción no afecta el contenidode potasio o magnesio. Sin embargo,controlará el calcio del filtrado hastaun máximo de 400 mg/l. Esta es lasolubilidad de equilibrio de CaSO4, oyeso, y es indicada por el segmentoreversible de la ecuación anterior.

Las aguas irreductibles puedencontener una amplia gama de sales. Elorigen de estas sales está directamenterelacionado con el origen de lossedimentos propiamente dichos. Comolos sedimentos marinos se depositan enagua salada, éstos contienengeneralmente sales que son similares alas que se encuentran en el agua salada.Sin embargo, como la mayoría del aguaes expulsada durante el proceso decompactación, la concentración de salpuede ser considerablemente más alta.

La solubilidad de la mayoría de lassales comunes es directamenteproporcional a la temperatura. Amedida que la temperatura de unasolución de sal aumenta, la solubilidadde la sal en esa solución aumenta. Unasolución que está saturada con una salen particular a la temperaturasuperficial, es capaz de contener mással en solución a temperaturaselevadas. Además, otras reaccionesquímicas, tales como la lixiviación de

los minerales de sedimentos por el aguafreática, pueden enriquecer las aguasirreductibles con aniones y cationesadicionales. Muchas de éstas puedenser perjudiciales para los fluidos deperforación. Las aguas muyenriquecidas con calcio y magnesio sonlas más perjudiciales.

En el caso del agua con un altocontenido de magnesio, las relacionesque describimos anteriormente para lacarnalita son aplicables. Losindicadores de magnesio son lossiguientes:1. Reducción rápida del pH.2. Espesamiento del lodo con adiciones

de soda cáustica o carbonato desodio.

3. Valoración para la concentración deiones magnesio.La valoración de dureza total está

indicada como la concentración decalcio soluble en mg/l. Sin embargo,esta valoración también detecta elmagnesio. Para confirmar la presencia y

Flujos de Agua Salada

Losproblemasdel lodoasociadoscon lacarnalita songraves…

Lasolubilidadde lamayoría delas salescomunes esdirectamenteproporcionala latemperatura.



CAPÍTULO

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concentración de magnesio, el calcio yel magnesio deben ser valoradosseparadamente.

Los indicadores para un flujo de aguacon alto contenido de calcio,suponiendo que la cantidad demagnesio presente es poca oprácticamente nula, sería:1. Menor efecto sobre el pH.2. Respuesta positiva del lodo a las

adiciones de soda cáustica ocarbonato de sodio.

3. Valoración para la concentraciónverdadera de iones calcio.

Los términos agua irreductible de altocontenido de calcio o alto contenido demagnesio son usados porque la sal desodio está casi siempre presente. Estoilustra el hecho que la determinaciónde cloruros puede inducir a error. Porejemplo, observar la variación en larelación de cloruros a iones metálicos

asociados en las sales descritasanteriormente.NaCl - HalitaKCl - SilvitaMgCl2 - Cloruro de magnesioCaCl2 - Cloruro de calcioKMgCl3 - Carnalita

En una solución pura de una sal, estasal puede ser identificada por elcontenido de cloruros y la valoraciónde los cationes (excepto el sodio). Sinembargo, en soluciones de salesmezcladas, el problema se complicahasta el punto de convertirse en unacuestión puramente teórica. Esto esespecialmente cierto porque sólo elcalcio, el potasio y el magnesio puedenser identificados con facilidad en elcampo. Se supone que los cloruros queno están asociados con los cationesidentificables, están asociados con losiones sodio.

El contaminante más severo y máscorrosivo descrito en este capítulo esel gas de sulfuro de hidrógeno (H2S).Este gas es destructivo para losmateriales tubulares y tóxico para losseres humanos. Cuando se identificala presencia de H2S, el personal debeusar inmediatamente los equiposapropiados de protección personal yponer en práctica las medidas deseguridad de los trabajadores. El gas desulfuro de hidrógeno se origina en:1. Depósitos térmicos. 2. Gas de la formación.3. Degradación biológica.4. Descomposición de materiales que

contienen azufre.El gas de sulfuro de hidrógeno

puede ser identificado por:1. Reducción del pH del lodo.2. Decoloración del lodo (hacia un

color oscuro) debido a la formaciónde FeS a partir de la barita.

3. Olor a huevo podrido.4. Aumento de la viscosidad y del

filtrado debido a la reducción delpH.

5. Formación de incrustaciones negras(FeS) sobre las tuberías de perforaciónde acero.

Como el H2S es un gas ácido, el pHdel lodo es reducido rápidamente

mediante la neutralización de OH-.Para compensar los aspectos dañinosdel gas H2S, el pH debe ser aumentadohasta por lo menos 11, o a un nivelmás seguro de 12, añadiendo sodacáustica o cal. La siguiente reacciónquímica describe la aplicación dealcalinos al H2S. Esto también sepuede observar en la Figura 5.

H2S + OH– HS + H2OH2S + OH– HS– + H2OHS– + OH– S2– + H2O

Contaminación de Sulfuro de Hidrógeno (H2S)

100

10

1

0,1

0,01

H2S HS-

S2-

% d

e su

lfu

ros

tota

les

0 2 4 6 8 10 12 14pH

Elcontaminantemás severo ymás corrosivodescrito eneste capítuloes…(H2S).

Figura 5: Distribución de sulfuros según el pH.


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El ion bisulfuro (S2-) puede sereliminado por una reacción con óxidode cinc para formar sulfuro de cinc, elcual es insoluble.

S2– + Zn2+ → Zn S–

Un tratamiento de 1 lb/bbl de óxidode cinc elimina aproximadamente1.000 mg/l de sulfuros. OBSERVACIÓN:Consultar los reglamentos ambientales ylos requisitos de toxicidad acuática localesantes de usar cualquier compuesto de cinc.No se debe usar más de 2 lb/bbl deóxido de cinc en el tratamientopreliminar del lodo para eliminar H2S.Se recomienda añadir de 1 a 2 lb/bblde SPERSENE durante el tratamientopreliminar.

Para proteger los materiales tubularescontra la corrosividad del H2S, serecomienda usar un lodo base aceite.El aceite actúa como un agenteformador de película en la presencia deH2S. La ruptura por absorción dehidrógeno es la causa de la destrucciónde los materiales tubulares, porque elH0 (hidrógeno atómico) entra en lospequeños poros del metal sometidos agrandes esfuerzos y se transforma engas H2 (hidrógeno molecular),causando la ampliación del volumende la molécula de hidrógeno, lo cualrompe el metal.

El H2S no es menos tóxico en loslodos base aceite que en los lodos baseagua. En realidad, con los lodos baseaceite sería necesario tomar mayores

precauciones que con los lodos baseagua, debido a la solubilidad del H2Sen el aceite. La detección del sulfuro dehidrógeno en el lodo puede serprobada de dos maneras:1. Tren de Gas de Garrett (GGT).2. Prueba de Hach.

Ambas pruebas son rápidas, fáciles yproducen resultados fáciles de definir,pero con el tren de gas de Garrett esmás preciso y proporciona unresultado cuantitativo. Elprocedimiento está descrito en RP 13B.

Si se detecta H2S en el lodo cuandose usa la prueba de filtrado soluble enel tren de gas de Garrett, será necesariotomar medidas para:1. Aumentar inmediatamente el pH

hasta un valor de por lo menos 11,5a 12, mediante la adición de sodacáustica.

2. Amortiguar el pH con cal.3. Comenzar tratamientos con óxido

de cinc para eliminar los sulfurossolubles del sistema.Si parece que el H2S proviene (fluye)

de la formación, la densidad del lododebería ser aumentada parainterrumpir el flujo de gas dentro delpozo.

Las propiedades químicas del gas desulfuro de hidrógeno son bastantecomplejas. Las acciones descritasanteriormente son recomendadas paraminimizar los aspectos tóxicos de estecontaminante corrosivo.

CONTAMINACIÓN DE CEMENTO

Síntomas1. Aumento de la viscosidad y de los

esfuerzos de gel.2. Aumento de pH, Pm y Pf

(especialmente Pm).3. Mayor filtrado.4. Mayor excedente de cal y calcio

soluble (después).Tratamiento1. Según el tipo de sistema usado, se

puede usar SAPP o TANNATHIN y

bicarbonato de sodio para reducir elpH y precipitar el calcio soluble (verlas Tablas 2 y 3). Entonces, laspartículas de arcilla estarán librespara reaccionar con el diluyente odesfloculante utilizado.

2. Grandes tratamientos de agua ySPERSENE para controlar laspropiedades de flujo. Se añadebentonita para obtener el filtradodeseado, una vez que laspropiedades de flujo están bajocontrol.

Referencia Rápida para Reconocer y Tratar losContaminantes

lodo baseaceite...actúacomo unagenteformador depelícula en lapresencia deH2S.



CAPÍTULO

4C

CONTAMINACIÓN DE MAGNESIO

Síntomas1. Punto cedente inestable y filtrado.2. Altos niveles de dureza después de

tratar el calcio con carbonato desodio.

TratamientoOBSERVACIÓN: El siguiente tratamiento espara pequeños niveles de contaminación, talcomo la contaminación causada por el aguasalada. NO se debe usar soda cáustica paratratar una contaminación masiva demagnesio (como la que causa la carnalita).1. Aumentar el pH del lodo hasta 11

con soda cáustica o potasa cáustica(KOH) para eliminar el magnesio(ver las Tablas 2 y 3).

2. Mantener el pH a este nivel paraevitar que el magnesio se solubilicede nuevo a partir de Mg(OH)2.

CONTAMINACIÓN DE YESO O ANHIDRITA

Síntomas1. Aumento de la viscosidad y de los

esfuerzos de gel.2. Aumento del filtrado.3. Aumento de la cantidad de calcio

soluble.4. Posible disminución de Pf y pH.Tratamiento1. Precipitar o secuestrar el calcio

soluble con fosfatos o carbonato desodio (ver las Tablas 2 y 3). Reducirla viscosidad con tratamientos delignosulfonatos y soda cáustica.Reducir el filtrado con tratamientosde bentonita, POLYPAC o RESINEX.

2. Dejar que el yeso o la anhidritapermanezca en el sistema paraobtener un nivel de calcio solublemayor de 600 mg/l. Controlar laviscosidad con el tratamiento delignosulfonato, el pH con sodacáustica, y el filtrado con bentonitay POLYPAC.

CONTAMINACIÓN DE SAL

Síntomas1. Aumento de la viscosidad.2. Aumento del filtrado.3. Aumento de la cantidad de cloruro

soluble y calcio.4. Reducción del pH y Pf.

Tratamiento1. Diluir la concentración de NaCl con

agua, si la formación de sal debe serentubada poco después de terminarla perforación. Tratar el fluido conlignosulfonatos para controlar laviscosidad; soda cáustica y cal segúnuna proporción de 1:2 paracontrolar el pH y Pf; POLYPAC UL ybentonita para controlar el filtrado.

2. Si no se entuba la sal y la formaciónqueda expuesta por un largoperiodo, saturar el sistema concloruro de sodio (sal) para impedirel ensanchamiento adicional delpozo. Controlar la viscosidad contratamientos de lignosulfonatos,además de soda cáustica y cal.Pequeños tratamientos de POLYPACson eficaces para controlar laviscosidad si los sólidos estáncontrolados dentro del rangoapropiado. Controlar el filtradomediante adiciones de almidón y/oPOLYPAC, y adiciones de bentonitaprehidratada. Si se usa almidón paracontrolar el filtrado, mantener unaconcentración de NaCl de 190.000mg/l para evitar la fermentación delalmidón, o usar un biocida.

CONTAMINACIÓN PRODUCIDA POR ELFLUJO DE AGUA SALADA Y LAARREMETIDA DE GAS

Síntomas1. Aumento del nivel del tanque de

lodo.2. Aumento de la velocidad de retorno

del pozo.Tratamiento1. Parar la bomba.2. Subir el conjunto de fondo para

despejar el buje de junta kelly.3. Cerrar el pozo con un BOP

(preventor de reventones).4. Medir la presión de la tubería de

perforación y calcular la densidadde lodo adicional requerida paracompensar la arremetida.

5. Aumentar el peso del lodo hastaobtener la densidad requerida,haciendo circular la arremetidahacia afuera, a una velocidad debombeo reducida.

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6. Si se trata de una arremetida de gas,eliminar el gas del sistema usandoel equipo de circulación superficialy los desgasificadores.

7. Si se trata de un flujo de aguasalada, descargar el agua salada enla superficie (si es posible), yacondicionar el fluido concantidades adicionales dedesfloculantes y soda cáustica.Puede que sea necesario diluir laconcentración de iones NaCl conagua dulce. Pequeños tratamientosde cal y soda cáustica tambiénpueden requerirse para controlar elpH y Pf.

CONTAMINACIÓN DE CARBONATOS

Síntomas1. Altos esfuerzos de gel.2. Aumento de Pf con un pH

constante.3. Mayor diferencia entre Pf y Mf.4. Aumento de los niveles de

carbonatos o bicarbonatos.

Tratamiento1. Aumentar el pH hasta un valor

comprendido entre 10,3 y 11,3.2. Añadir cal y/o yeso, dos fuentes

solubles de Ca, para eliminar loscarbonatos como CaCO3 (ver lasTablas 2 y 3).

CONTAMINACIÓN DE SULFURO DEHIDRÓGENO

Síntomas1. Reducción de las alcalinidades.2. Ligero olor fétido (huevo podrido)

en la línea de flujo.3. El lodo o la tubería adquiere un

color negro.Tratamiento1. Aumentar el pH hasta un nivel

comprendido entre 11 y 11,5 consoda cáustica.

2. Amortiguar con cal.3. Añadir óxido de cinc (ver las Tablas

2 y 3).

Concentración de Tratamiento

Contaminante Ion Contaminante Tratamiento (lb/bbl)

Dióxido de carbono Carbonato Yeso para reducir el pH mg/l x Fw x 0,00100Cal para aumentar el pH mg/l x Fw x 0,000432

Bicarbonato Cal para aumentar el pH mg/l x Fw x 0,00424

Yeso o anhidrita Calcio Carbonato de sodio mg/l x Fw x 0,000928SAPP mg/l x Fw x 0,000971Bicarbonato de sodio mg/l x Fw x 0,00735

Cal o cemento Calcio e hidroxilo Bicarbonato de sodio lb/bbl excedente de cal x 1,135SAPP lb/bbl excedente de cal x 1,150Ácido cítrico lb/bbl excedente de cal x 1,893

Agua dura o salada Calcio y magnesio Soda cáustica mg/l x Fw x 0,00116

Sulfuro de hidrógeno Sulfuro (H2S, HS–, S2–) Óxido de cinc* mg/l x Fw x 0,00091más suficiente soda cáustica para mantener el pH por encima de 10,5

*También pueden usarse otros compuestos de cinc tales como el cinc quelado o el carbonato de cinc. Un excedente siempre debe ser mantenido enel sistema.OBSERVACIONES:1. Fw es el % fraccionario de agua de la retorta.2. Excedente de cal = 0.26 (PM – (Pf x Fw)).

Tabla 2: Tratamiento químico en unidades E.U.A.

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Contaminante WT FV PV YP Gels FL pH Pm Pf Mf Cl– Ca2+ Sólidos Treatment

Cemento↑pH↓

Bicarb., o SAPP,— ↑ — ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ —

11,5— o diluyente, bicarb.

y ácido cítrico

Yeso o Soda cáustica, aguaanhidrita de dilución y

— ↑ — ↑ ↑ ↑ ↓ ↓ ↓ ↓ — ↑ — diluyente, ocarbonato de sodio(más polímero parafiltrado)

Sal Soda cáustica, agua

— ↑ — ↑ ↑ ↑ ↓ ↓ ↓ ↓ ↑ ↑ — de dilución,diluyente ypolímero parafiltrado

Carbonato o pH <10,3: calbicarbonato — ↑ — ↑ ↑ ↓ ↓ → ↑ — ↓ — pH 10,3 a 11,3:

cal y yesopH >11,3: yeso

H2S Soda cáustica, cal — ↑ — ↑ ↑ ↑ ↓ ↓ ↓ ↓ — — y fuente de cinc

(óxido de cinc)

Antiguos Agua de dilución

— — — — — — — — ↑ y equipo de de remoción de

Sólidossólidos

Nuevos Agua de dilución,

↑ equipo de remoción de sólidos y diluyente



CAPÍTULO

4C

Concentración de Tratamiento

Contaminante Ion Contaminante Tratamiento (kg/m3)

Dióxido de carbono Carbonato Yeso para reducir el pH mg/l x Fw x 0,00285Bicarbonato Cal para aumentar el pH mg/l x Fw x 0,00121

Yeso o anhidrita Calcio carbonato de sodio mg/l x Fw x 0,00265SAPP mg/l x Fw x 0,00277 Bicarbonato de sodio mg/lxFwx0,002097

Cal o cemento Calcio e hidroxilo Bicarbonato de sodio kg/m3 excedente de cal x 3,23SAPP kg/m3 excedente de cal x 3,281Ácido cítrico kg/m3 excedente de cal x 5,4

Agua dura o salada Calcio y magnesio Soda cáustica mg/l x Fw x 0,00285

Sulfuro de hidrógeno Sulfuro (H2S, HS–, S2–) Óxido de cinc* mg/l x Fw x 0,002596 más suficiente soda cáustica para mantener el pH encima de 10,5

*Otros compuestos de cinc tales como el cinc quelado o el carbonato de cinc también pueden ser usados. Un excedente siempre debe ser mantenidoen el sistema.OBSERVACIONES:1. Fw es el % fraccionario de agua de la retorta.2. Excedente de cal (kg/m3) = 0.074178 (PM – (Pf x Fw)).

Tabla 3: Tratamiento químico en unidades métricas.

↑ Aumento ↓ Reducción — Sin cambio Ligero aumento Ligera reducción Tabla 4: Referencia rápida para reconocer y tratar los contaminantes.

WT = densidadFV = viscosidad embudoPV = viscosidad plásticaYP = punto cedenteGels = Esfuerzos de gelFL = Pérdida de filtradoPm = Alcalinidad del lodoPf = Alcalinidad del filtradoMf = Alcalinidad de filtrado de anaranjado de metilo

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Quimica Basica

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