Capitulo2_FluidosBaseAgua

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Manual: R. Guimeráns; C. Mujica; Y.Rojas; A. Aponte y E. Poleo

Taller: “Fluidos de Perforación y Terminación de Pozos” Abril 2004

G

V.V.A. CONSULTORES C.A.INGENIERIA Y GEOCIENCIAS S.A. DE C.V.

Fluidos de Perforación Base Agua

CAPÍTULO 2



Taller: “Fluidos de Perforación y Terminación de Pozos” México, Abril 2004G

CONTENIDO

•Densidades

•Formulaciones y propiedades•Para hoyos superiores•Para zona productora

•Aplicaciones, ventajas y desventajas

•Consideraciones ambientales

•Aditivos químicos•Consideraciones para formular




DENSIDADES

20.0

12.0

11.1

10.410

4.5

6.9

8.3

1.2

0.0

90

78

83

75

62.4

52

150

lb/pie3 lb/gal

Aire

N e b l i na

E s p u m a

A i r e

a d o s

A c e i t e

S al m u er a

S a t ur a d a

A g

u a

A r c i l l a

s N

a t i v

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y A g u a

A g u

a + C a C l 2

s a t u r a d

a

Lodos densificados(Barita)

I n i c i o l

o d o s

p e s a d o s

Densidad del fluido de perforación

Intervalo de densidades de los fluidos base agua:

8,33 - 20 lpg




APLICACIONES DE FLUIDOS BASE AGUA

•Hoyos superficiales, intermedios y productores

•Operaciones de perforación, terminación y reparaciónde pozos

•Zonas con alto contenido de sales

•

Formaciones con presencia de arcillas reactivas

•Zonas con temperatura inferior a 300°F




Ventajas:

•Menor costo

•Fácil manejo y disposición•Bajo impacto ambiental

Desventajas:

•Son afectados por contaminantes comunes

•Presentan limitaciones de temperatura

•Limitaciones en formaciones altamente reactivas

APLICACIONES DE FLUIDOS BASE AGUA


http://slidepdf.com/reader/full/capitulo2fluidosbaseagua 6/46Taller: “Fluidos de Perforación y Terminación de Pozos” México, Abril 2004G

• Suspensión y acarreo de cortes deperforación a la superficie

• Permita los trabajos de cementación

• Bajo costo del fluido de perforación

•Ausencia de problemas dedisposición

• Buenos registros del hoyo

•Alta productividad del pozo

FUNCIONES REQUERIDAS VS. CARACTERÍSTICAS DEL FLUIDO

•Alto punto cedente en al anular

• Frágil resistencia de gel

• Bajo $/lb, bajo lb/bbl

•No tóxicos, biodegradables

•Hoyos estables

• Reducen la invasión de filtradohacia la formación y el daño ala formación productora

POLÍMEROS



Sustancias capaces de alterar el comportamiento interfacial de dos ó másfases inmiscibles en contacto. Presentan:

•Grupo polar: grupo funcional que contiene heteroátomos como O, S, N oP (carboxilato, sulfonato, sulfato, amonio y fosfato).

•Grupo apolar: cadena hidrocarbonada de tipo alquilo ó alquil-arilo

típicamente con 12 a 20 átomos de carbonos.

Dodecil benceno sulfonato de sodio

SO3

Na+-

Grupo Lipofílico

o hidrófobo (apolar)

Grupo Hidrofílico

(polar)

DEFINICIONES

DEFINICIÓN DE SURFACTANTES



•Aniónicos: se disocian en un anión anfífilo y un catión, generalmente unmetal alcalino o un amonio.

•Catiónicos: se caracterizan por disociarse en un catión anfífilo y unanión, generalmente un halogenuro.

•No iónicos: no se disocian en agua, puesto que poseen gruposhidrofílicos del tipo alcohol, fenol, éter, amida o cadenas decondensación de polióxido de etileno.

•Otros surfactantes: existe gran diversidad de surfactantes adicionales alos ya reseñados, como los anfóteros, poliméricos, siliconados, y

fluorados, entre otros.

QU MICA DE LOS ADITIVOS:

SURFACTANTES

CLASIFICACIÓN DE LOS SURFACTANTES



El surfactante juega un papel importante en los sistemas que poseen una

fase continua líquida y puede formar:•Espumas•Emulsiones•Suspensiones.

Según el uso se califican como:• Jabón

•Detergente

•Dispersante• Emulsionante

• Espumante

•Humectante

• Inhibidor de corrosión, etc.• Inhiben reactividad de arcillas

• Lubricidad

• Biocidas.

FUNCIÓN DE LOS SURFACTANTES



• Polímero: sustancia compuesta por moléculas que tienen largas

secuencias de una o más especies de átomos o grupos de átomos•Monómeros: moléculas que se unen entre sí mediante reacciones

químicas para dar lugar a los polímeros.

•Homopolímeros: polímeros cuya estructura se puede representar por larepetición múltiple de un tipo único de unidad repetitiva

•Copolímeros: polímeros cuyas moléculas contienen dos o más tiposdiferentes de unidades repetitivas.

QU MICA DE LOS ADITIVOS:

POLÍMEROSDEFINICIONES

POLÍMEROS



• Silicatos de aluminio hidratado que desarrollan plasticidad cuando semojan.

• Tienen generalmente tamaños entre 74 – 2µm. Pueden tener moléculasde hierro, aluminio o sus óxidos asociadas.

• Las arcillas nativas son generalmente hidratables y cuando seincorporan al lodo contribuyen principalmente a la fracción inerte, ymuy poco a la fracción gelatinosa.

• Entre los minerales de arcillas más utilizados en la preparación defluidos de perforación se encuentran la bentonita y la atapulguita.

DEFINICIONES

ARCILLAS



EFECTOS DE LAS ARCILLAS

EN FLUIDOS DE PERFORACIÓN

• Proporcionan viscosidad al fluido

• Permiten controlar pérdidas de filtrado hacia la formación

• Pueden ocasionar daño a la formación

• Involucran problemas de contaminación del fluido de perforación

• Su comportamiento puede ser modificado por tratamiento químico

• Afectan la estabilidad del hoyo



ESTADOS DE ASOCIACIÓN DE LAS ARCILLAS

Agregación

Dispersión

•Condición normal de la arcilla antes de ser

hidratada.•Las partículas están agrupadas cara a cara•Pueden ser separadas por agitación mecánica ohidratación.

•Separación de las partículas como consecuencia

de la absorción o entrada de agua.•Las caras cargadas de una forma negativa seatraen con los bordes de las cargas positivas.

Inhibición Prevención de la dispersión.



Floculación•Originada por la atracción excesiva de cargaseléctricas.

•Las partículas se unen cara-arista y/o arista-arista.

Defloculación

•Separación de las partículas de arcilla porneutralización de las cargas eléctricas por loslignosulfonatos y lignitos.•Las partículas pueden separarse individualmente

o en grupos de dos o tres unidades por caras.

ESTADOS DE ASOCIACIÓN DE LAS ARCILLAS



VISCOSIFICANTES

•Incrementan viscosidad del fluido

•Mejoran la capacidad para remover los cortes de perforación ysuspender el material densificante.

Ejemplos:

• Bentonita (silicato de aluminio y sodio/calcio)

•Atapulguita (silicato de aluminio y magnesio)

•Carboximetil celulosa (derivado de celulosa)•Goma xantano (derivado de la goma xántica)

•Hidroxietil celulosa (derivado de celulosa)

•Goma guar (goma de polisacárido)•Celulosa polianiónica

•Hidroxipropil guar



•Reducen la cantidad de líquido que pasa a la formación•Aumentan la viscosidad y de fuerza de gel por disminuir el agua

Ejemplos:

• Productos derivados del almidón: tienen una baja resistencia ala oxidación térmica y a la destrucción bacteriana.

• Polímeros orgánicos constituidos por el carboximetil celulosa(CMC) y sus derivados. Se usan en fluidos salinos y tratados concalcio, por ejemplo.

• Productos diversos: reductores del filtrado (bentonita, polímeros

manufacturados tipo poliacrilamidas), adelgazantes orgánicos(lignitos y lignosulfonatos de calcio).

CONTROLADORES DE FILTRADO



ESTABILIZADORES DE LUTITAS

Inhiben la hidratación y dispersión de los materiales arcillosos.

El mecanismo de acción es diferente para los materiales que se listan a

continuación:

• Polímeros naturales o sintéticos de alto pesomolecular

• Poliacrilamida (PHPA)• Polivinil alcohol•Asfalto•Cloruro de potasio•Cloruro de calcio•Cal• Sulfato de calcio (yeso)



•Disminuyen la tensión entre diferentes fases•Favorecen la mezcla de dos líquidos inmiscibles

AGENTES TENSOACTIVOS

Pueden cumplir los siguientes objetivos:•Estabilizar emulsiones de agua y aceite•Aumentar las propiedades lubricantes y resistencia térmica delos fluidos

•Emulsionar el petróleo en el fluido•Dispersar coloides

Algunos ejemplos se encuentran en los siguientes tipos de aditivos




Agentes tensoactivos que tienen la función de:·Lubricar la sarta·Reducen arrastre y torque al crear una capa lubricante en el revoque

Ejemplos:

AGENTES LUBRICANTES

•Derivados del petróleo•Aceites minerales, animales o vegetales• Surfactantes•Alcoholes•Asfalto•Gilsonita•Grafito• Bolitas de vidrio• Polímeros




ESTABILIZADORES TÉRMICOS

Incrementan la estabilidad del fluido a alta temperatura.Ejemplos:

• Polímeros acrílicos y sulfonados•Copolímeros

• Lignito• Lignosulfonato• Taninos

AGENTES ANTIESPUMANTES

Eliminan la espuma que se produce en el fluido, la cual provoca unadisminución de la densidad y una pérdida de presión en las bombasque implica una succión insuficiente del fluido. Son generalmente:

•Compuestos siliconados•Alcoholes

• Surfactantes




AGENTES FLOCULANTES

Encapsulan los sólidos arcillosos del sistema haciéndolos más

efectivos para su remoción en los equipos de control de sólidos.Pueden ser:• Sales•Cal hidratada

• Polímeros sintéticos (poliacrilamidas)•Goma guar• Polímeros acrílicos• Yeso

Solucionan los problemas de alta viscosidad y fuerza de gel de losfluidos. Se conocen como agentes dispersantes.

ADELGAZANTES Y DEFLOCULANTES

• Polifosfatos•Compuestos taninos• Lignosulfonatos modificados y lignitos• Polímeros de cadena corta

• Jabones de ácidos grasos•Aminas y amidas




Materiales suspedidos en el fluido para incrementar su densidad conel propósito de controlar la presión de la formación y proporcionarestabilidad al hoyo.

DENSIFICANTES

Sulfuro de plomo (galena) 7,4-7,7Óxido de hierro (hematita) 4,9-5,3Óxido de hierro y titanio (limenita) 4,72Sulfato de bario (baritina) 4,2-,4,5Carbonato de hierro (siderita) 3,7-3,9

Carbonato de calcio y magnesio (dolomita) 2,8-2,9Carbonato de calcio (calcita) 2,6-2,8Carbonato de calcio (aragonita) 2,9-3,0

Densificante Gravedad específica




CONTROLADORES DE PÉRDIDA DE CIRCULACIÓN

Minimizan o anulan las pérdidas excesivas de fluido hacia la formaciónen zonas altamente permeables y fracturadas.

Algunos ejemplos:

• Fibrosos: caña de azúcar; semilla de algodón; fibrasorgánicas, vegetales o de madera; papel cortado,

mazorca de maíz•Granulares: cascara de nuez, carbonato de calcio,goma granulada, perlitas, gilsonita

•Hojuelas o escamas: mica, celofan, plástico, madera y

papel




Evitan la corrosión de las partes metálicas y de los componentes dellodo.

Se utilizan en general:•Agentes secuestradores de oxígeno•Agentes que forman películas protectoras sobre la superficie delacero.

Algunos ejemplos de estos materiales son:

AGENTES ANTICORROSIVOS Y ANTIOXIDANTES

•Cromatos•Dicromatos

•Aminas• Fosfatos• Sulfuros insolubles de zinc•Derivados de aminograsos




Inhiben o eliminan la reproducción y crecimiento de bacterias yhongos en el fluido. Se dividen en oxidantes y no oxidantes.

AGENTES BACTERICIDAS

•Aminas cuaternarias• Sulfuros orgánicos•Aldehidos•Clorofenoles

AGENTES ANTIFERMENTIVOS

Inhiben la fermentación de los coloides orgánicos.

•Derivados de los fenoles




CONSIDERACIONES PARA FORMULAR

FORMULACIÓNGENERAL DE

ACUERDO AINFORMACIÓNDEL

YACIMIENTO

PROPIEDADESREOLÓGICAS

DE ACUERDO ALDISEÑO DELPOZO

MINIMIZARINCOMPATIBILIDAD

Y/O DAÑO A LA

FORMACIÓN

MINIMIZARIMPACTO

AMBIENTAL

FLUIDOS DEPERFORACIÓN YTERMINACIÓN





FORMULACIÓNGENERAL DEACUERDO A

INFORMACIÓNDELYACIMIENTO

•Tipo de yacimiento

•Caracterización mineralógica•Presión de poro/fondo

•Temperatura

•Fluidos que lleva la formación•Geofísica/Geomecánica

•Permeabilidad

•Porosidad




HISTORIA DE POZOS VECINOS:•Registros de yacimiento•Registros de lodo•Historia de producción

•Datos de pruebas de pozo•Sísmica•Reportes de perforación

GEOMETRÍA DEL POZO:•Caract. direccionales•Tamaño de hoyo•Prop.programa revestidores


DE ACUERDO ALDISEÑO DEL

POZO





HISTORIA DE POZOS VECINOS:•Registros de yacimiento•Registros de lodo•Historia de producción

•Datos de pruebas de pozo•Sísmica•Reportes de perforación

GEOMETRÍA DEL POZO:•Caract. direccionales•Tamaño de hoyo•Prop.programa revestidores


DE ACUERDO AL

DISEÑO DELPOZO

CONSIDERACIONES PARA FORMULARPara zona productora

MINIMIZARINCOMPATIBILIDAD

Y/O DAÑO A LA

FORMACIÓN/ INFORMACIÓN DE

YACIMIENTO




• Suspensión y acarreo de cortes deperforación a la superficie

• Permita los trabajos de cementación

• Bajo costo del fluido de perforación

•Ausencia de problemas dedisposición

• Buenos registros del hoyo

•Alta productividad del pozo

FUNCIONES REQUERIDAS VS. CARACTERÍSTICAS DEL FLUIDO

•Alto punto cedente en al anular

• Frágil resistencia de gel

• Bajo $/lb, bajo lb aditivo/bbl

•No tóxicos, biodegradables

•Hoyos estables

• Reducen la invasión de filtradohacia la formación y el daño ala formación productora






ADITIVOSVisosificantesControlador de filtrado

Densificante/agente de puente

FUNCIÓNSuspensión

Controlar filtrado

Control hidrostático/buen sello

P R I M E R

P A S O

Para Base Agua

Información de:Geometría de hoyo

Pozos vecinos





ADITIVOSVisosificantesControlador de filtrado

Densificante/agente de puenteControl de inhibición arcillasControl de pérdidas circulación

FUNCIÓNSuspensión

Controlar filtrado

Control hidrostático/buen selloEvitar derrumbes/Daño a formac.Pérdida de control hidrostático

S E G U N D

O

P A S O

Para Base Agua

Información de:Geometría de hoyo

Pozos vecinosYacimiento





ADITIVOS

VisosificantesControlador de filtradoDensificante/agente de puente

Control de inhibición arcillasControl de pérdidas circulaciónBactericidasAnticorrosivos

Antiespumantes

FUNCIÓN

SuspensiónControlar filtrado


Evitar derrumbes/Daño a formac.Pérdida de control hidrostático

Evitar descomposiciónEvitar corrosión

Impedir cavitación bombas

T E R C E

R

P A S O

Para Base Agua

Información de:Geometría de hoyoPozos vecinos

Yacimiento





ADITIVOS

VisosificantesControlador de filtradoDensificante/agente de puente

Control de inhibición arcillasControl de pérdidas circulaciónBactericidasAnticorrosivos

Antiespumantes

FUNCIÓN

SuspensiónControlar filtrado


Evitar derrumbes/Daño a formac.Pérdida de control hidrostático

Evitar descomposiciónEvitar corrosión

Impedir cavitación bombas

C U A R T

O

P A S O

Para Base Agua

Información de:Geometría de hoyoPozos vecinos

Yacimiento

HACER PRUEBAS DE LABORATORIO:•Reología•Compatibilidad con fluidos de formación•Hinchamiento de arcillas•Retorno de permeabilidad (zona productora)




Formulación Agua-Bentonita

FORMULACIONES Y PROPIEDADES

Bentonita

Soda caústica

Densificantes

20 lb/bbl

0,5 lb/bbl

-----

Viscosidad embudo 35 CpsPunto cedente ≥ Viscosidad

plástica ≥4

pH 8,0-9,5

Filtrado sin control

Componente Concentración Propiedad

Para hoyos superiores

¿Y las desventajas?

¿Cuáles son las ventajas?




AguaBentonita

Lignosulfonato

Lignito

La deseada20-25 lb/bbl

4-6 lb/bbl

2-4 lb/bbl

Fase continuaPropiedades reológicas

Dispersante

Control de filtrado yestabilizador de

temperatura

Formulación Lignito-LignosulfonatoComponente Concentración Propiedad


Para hoyos superiores






Formulación Bentonita Extendida No Densificado

Bentonita

Polímero bentonitaextendida

Soda caústica

Ca++

5-12,5 lb/bbl

0,05-0,1 lb/bbl

0,5 lb/bbl

< 150 ppm

Viscosidad Funnel 34-38seq/qt

Viscosidad Plástica 5-7 cps

Punto Cedente 6-9 lb/100pie2

Geles 4-6 lb/100 pie2

Filtrado 12-15 cc

Componente Concentración Propiedades

Nota: Se debe tratar el agua previamente con soda ash (carbonato de sodio) para eliminar elcalcio

FORMULACIONES Y PROPIEDADESPara hoyos superiores






Formulación de Fluido Base Calcio

AguaLignosulfonato de cromomodificadoHidróxido de sodio

Hidróxido de calcioCelulosa polianiónica

La requerida2-4 lb/bbl

1,0 lb/bbl (pH 11,5-12)

4-8 lb/bbl0,5-1,0 lb/bbl

Componente Concentración

Viscosidad plástica18cPPunto cedente

6lbf/100ft2

Filtrado API 6-12mlDensidad 10lb/galCalcio 75-200ppm

Propiedades







Formulación de Fluido Inhibido




AguaGoma xantanoAlmidónCelulosapolianiónica

Cloruro de potasioHidróxido de sodio

Asfalto

DetergenteBarita

La requerida0,4-1,5 lb/bbl4-8 lb/bbl

0,25-1,5 lb/bbl

10-45 lb/bbl0,5-0,95 lb/bbl

(pH 8-9)2

2-5La requerida

Componente Concentración Propiedades

Densidad [lpg]9.0 – 10Visc. Embudo [s]40 – 50Visc. Plástica [cp]12 – 19

Pto. Cedente 15 – 20Filtrado [cc/30 min]5.2 –8.0%

Sólidos8 – 13MBT [%]7.5 - 15




KClBentonita

Hidróxido de

PotasioGoma Xantano

Poliacrilato de

sodio

10-95 lb/bbl5-7 lb/bbl

El requerido

0,5 lb/bbl

0,5 lb/bbl

Viscosidad plástica 4-8 cpsPunto cedente 15-25 lb/100 pie2

Geles 10-20 lb/100 pie2 (altos, pero

frágiles)Filtrado API 15-30 cc

pH 10,5-11,0

Formulación de Fluido Base Cloruro de Potasio

Componente Concentración Propiedad







0 - 1000´

20,0

0,25

0,30

0,25

1000 - 6290´

12,0 - 15,0

3,0 - 5,0

3,0 - 4,0

3,0 - 5,0

1,0 - 2,0

4,0 - 6,0

1,0 - 2,0

6290 - 10440´

12,0 - 15,0

0,75

4,0 - 6,0

3,0 - 5,0

1,0 - 2,0

3,0 - 4,0

1,0 - 2,0

10440 - 10750´

1,0 - 3,0

0,3

1,0

3,0 - 5,0

0,5

52

COMPOSICIÓN TÍPICA DE FLUIDO DE PERFORACIÓNCONCENTRACION (lb/bbl) vs. PROFUNDIDADCOMPONENTE

Bentonita regular

Soda Cáustica

Cal

Celulosa polianiónica

Almidón

Lignosulfonato Cálcico

Asfalto

Preservativos

Carbonato de Calcio

Celulosa Polianiónica





AguaGoma xantanoAlmidónCelulosapolianiónica

Cloruro de potasioHidróxido de sodio

Densificante

(Carbonato de calcio+ barita)

La requerida0,5-1,0 lb/bbl

3-4 lb/bbl0 lb/bbl

20-100 lb/bbl0,3-0,5 lb/bbl (pH

8-9)Requerido

Formulación Polímero XCD-Cloruro de Potasio

Componente 9 a 16 lb/gal 16 a 19 lb/gal

La requerida0,1-0,3 lb/bbl

1-4 lb/bbl0,5-1,5 lb/bbl

20-100 lb/bbl0,4-0,8 lb/bbl (pH

8-9)Requerido



Para hoyos productores









AguaGoma xantanoAlmidónHidroxietilcelulosa(HEC)

Cloruro de potasioGlicolCarbonato de calcio

La requerida0,7 lb/bbl4 lb/bbl

0,5 lb/bbl

7 lb/bbl10,5 lb/bbl

La requerida

Componente Concentración Observaciones

Fluido de formulación coninhibición para zonaproductora.

Bajo impacto en daño contamaño de agente de

puente adecuado.









0,94 lb/bbl4,0 lb/bbl3,0 lb/bbl2,0 lb/bbl10,8 lb/bbl

3,00,05 gal/b46,0 lb/bbl

Componente Concentración Observaciones

Peso [lpg]10.5Lectura 6 y 3 rpm4/3Visc. Plástica [cp]10

Pto. Cedente [lb/100 ft²]15

Geles 10”/10’¾

Salmuera sat. NaClGoma xantanoAlmidón modific.BufferCloruro de potasio

Inhibidor (%v/v)AntiespumenteSal (mat. de puente)




Las regulaciones ambientales de los fluidos de perforación varían deacuerdo a la ubicación geográfica y las leyes locales.

Se llevan a cabo evaluaciones ambientales que permitan garantizar:

•Fluidos ambientalmente seguros (toxicidad y biodegradabilidad).•Reducción del impacto ambiental (biodegradación y bioacumulación).•Una práctica de perforación ambientalmente segura tanto en

ecosistemas terrestres como costa afuera.•Menor impacto ambiental de los desechos (aceites minerales yvegetales).

Implantación de buenas prácticas que permitan la segregación yminimización de desechos

Reducción, reutilización, reciclaje y recuperación.

CONSIDERACIONES AMBIENTALES



G

REFERENCIAS

• Bourgoyne A., Chenevert M., Millheim K & Young F. “AppliedDrilling Engineering”. (Society of Petroleum Engineers, 1991). Cap. 2.

•Chenevert M., “Drilling Fluids and Related Hole Problems”, (PDVSA-

Cied, 1999).• Economides M., Watters L. & Dun-Norman S., “Petroleum WellConstruction”. (John Wiley & Sons, 1998). Cap. 5.

• Baker Hughes Inteq, “Engineering Handbook” , (1998).

•Oligney R., “Drilling and Well Completions”, (PDVSA-Intevep, 1998).• Prieto A., “Tecnología Aplicada a los Fluidos de Perforación”, (PDVSA-CIED, 1997).

• Tovar, J., “Diseño de lodos, Control de Sólidos y Preservación de

Propiedades de Rocas Recientes para Hoyos Productores y No Productores” ,(PDVSA-INTEVEP, 1998).

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