Principios BásicosPrincipios Básicos

dede

Fluidos de PerforaciónFluidos de Perforación

Ing. Roberto Salas

RESEÑA HISTORICA

* Heggen y Pollard (1914): Mezcla de agua con material arcilloso quepermanece suspendido durante un tiempo considerable.

* Lewis y Mc Murray (1916): Mezcla de agua con materialesarcillosos que permanece suspendido durante un tiempo considerabley que esta libre de arena, ripio o materiales similares.

* Strond (1921): Establece el uso de aditivos y la utilización deBarita y Oxido de Hierro para densificar el lodo.

* En 1929 aparece la Bentonita como agente suspensivo y gelificante

* En 1931, Marsh mide la viscosidad del lodo mediante el EmbudoMarsh.

* En 1937 se utiliza el Filtroprensa para medir la perdida de filtradodel lodo

� Remoción de los cortes o ripios

� Control de las presiones de formación.

� Limpiar, enfriar y lubricar el equipo de perforación.

� Proteger la productividad de la formación.

� Prevenir derrumbes de formación.

� Suspender solidos cuando se detiene la circulación.

� Transmitir energía hidráulica a través de la mecha.

� Ayuda a soportar el peso de la sarta de perforación.

� Ayuda en la evaluación de formaciones (Registros).

� Sirve como transmisor de información sobre la perforación

� Remoción de los cortes o ripios

� Control de las presiones de formación.

� Limpiar, enfriar y lubricar el equipo de perforación.

� Proteger la productividad de la formación.

� Prevenir derrumbes de formación.

� Suspender solidos cuando se detiene la circulación.

� Transmitir energía hidráulica a través de la mecha.

� Ayuda a soportar el peso de la sarta de perforación.

� Ayuda en la evaluación de formaciones (Registros).

� Sirve como transmisor de información sobre la perforación

Funciones de los Fluidos de Perforación

o Densidad del ripio

o Tamaño de las partículas o derrumbes.

o Forma de la partícula.

o Densidad del fluido.

o Viscosidad del fluido.

o Velocidad del fluido en el espacio anular

Depende de:

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

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

Remoción de los cortes o ripiosRemoción de los cortes o ripios

3

Arremetida

Control de presiones de formación

Perdida de CirculaciónSi Dlodo > Pformación

Si Dlodo < Pformación

SUBNORMALSUBNORMAL ANORMALANORMALNORMAL

0.433Gradiente de presión

del agua dulce

0.466Gradiente de presión

del agua salada

Ph = 0.052 * Dl * H ( Lpg ) Ph = 0.052 * Dl * H ( Lpg )

Limpiar, enfriar y lubricar el equipoLimpiar, enfriar y lubricar el equipo

LodoLodo

Limpieza de la mecha Limpieza delensamblaje de fondo

Enfriamiento del equipo

Lubricación (aceites, surfactántes, detergentes )

Proteger la productividad de la formaciónProteger la productividad de la formación

DAÑO A LA FORMACIONDAÑO A LA FORMACION

Invasión del filtrado

Reducción de la Permeabilidad

LodoLodo

Baja o ninguna productividad

Prevenir derrumbes de formaciónPrevenir derrumbes de formación

Presión Hidrostática ayuda a mantener las paredes del pozo

DERRUMBES

Ruptura de la formación(mecha, estabilizadores, etc)

Erosión del hoyo poralta Velocidad Anular

Formaciones conbuzamiento alto

Reacciones osmóticasen la formación

Formacionescon presiones anormales

Formacionesde sales solubles

� Densidad de las partículas.

� Densidad del lodo

� Viscosidad del lodo.

� Resistencia de gel del lodo

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

La tasa de asentamiento de los ripios dependerá de:

Suspender los solidos perforados

Depende de un buen diseño hidráulico

Fluido a alta velocidadFluido a alta velocidad

Fuerza de impacto

Remoción de cortesRemoción de cortes

Mejor limpieza del hoyoMejor limpieza del hoyo

Mayores tasas de penetración

Transmitir energía hidráulica a través de la mechaTransmitir energía hidráulica a través de la mecha

Jets de la mechaJets de la mecha

Ayuda a soportar el peso de la sarta de perforación

Factor de flotaciónFactor de flotación

Disminuye el peso de la tubería

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

* Viscosidad

* Filtrado

* Calidad de los fluidos

* Revoque

Ff = (1 - Dl / 65.4)

Durante la perforación:. Conductividad

. Contenido de gas

. Análisis de muestras

. Dirección y rumbo (MWD)

Después de la perforación:

. Registros Eléctricos

Transmitir e informar sobre la perforaciónTransmitir e informar sobre la perforación

Composición de los lodos

Fase liquida + Fase solida + Aditivos Químicos

Agua o Aceite

Reactivos (Arcillas comerciales, solidos perforadoshidratables)

Inertes (Barita, solidos perforados no reactivos, Arena, Calizas, Sílice, Dolomita)

. Fosfatos

. Pirofosfatos

. Tetrafosfatos

. Taninos

. Corteza de Mangle

. Quebracho

. Lignitos

. Lignosulfonatos

. Bicarbonato deSodio

. Soda Cáustica

. Humectantes

. Surfactantes

. Otros

Reología de los Fluidos

Deformación de la MateriaDeformación de la MateriaDeformación de la MateriaDeformación de la Materia

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

Velocidad de corteVelocidad de corte Tensión de corteTensión de corte

Tipos de FluidosTipos de Fluidos

Velocidad de Corte

Newtonianos:“ Son aquellos donde la tensión de corte es directamenteproporcional a la velocidad de corte “

Agua, Diesel, Glicerina

m

Ten

sión

de

Cor

te Tc= m x Veloc.corte

donde: m: Pendiente

Viscosidad Constante

Tc: Tensión de Corte

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

(Punto Cedente verdadero)

Ten

sión

de

Cor

te

Velocidad de Corte Viscosidad Variable

depende de :

. Tipo de Fluido

. Veloc de Corte

Visc= Tc / Vc

Tipos de FluidosTipos de Fluidos

Modelos Reológicos:

Permiten explicar el comportamiento del lodo

Modelo Plástico de Bingham

Viscosímetro de dos velocidadesViscosímetro de dos velocidades

300 600Viscosidad PlásticaVP= F600 - F300

Punto CedentePC= F300 -VP

Modelo de la Ley Exponencial

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

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

F = K x Pn

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

Factores que afectan a la reología

TemperaturaTemperatura ViscosidadViscosidad

Presión: Poco afecta a las propiedades reológicas

Tiempo GelGelDeposiciónde solidos

Degradación del Lodo

Propiedades básicas de los fluidos

Viscosidad Plástica:

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

AFECTADA POR

Concentración de solidos

Tamaño y formade las partícula

Viscosidad dela fase fluida

Densidad del lodo

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

Depende del fluido usado y del material que se le adicione

La densidad del lodo debe ser suficiente paracontener el fluido de la formación, pero nodemasiado alto como para fracturar la formación

Punto Cedente ( Yield Point )Punto Cedente ( Yield Point )

“ Resistencia al flujo causada por las fuerzas de atracción entrepartículas sólidas del lodo. Es consecuencia de las cargaseléctricas sobre la superficie de las partículas dispersas en lafase fluida”

DEPENDEDE

Concentración iónica de las salescontenidas en la fase fluida

Cantidad de SolidosTipo de solidos

y cargas eléctricas

Resistencia GelResistencia Gel

Fuerza mínima o Tensión de Corte necesaria paraproducir un deslizamiento en un fluido después queeste ha estado en reposo por un período determinadode tiempo”

Problemas

El no controlEl no control

Retención de gas

Presiones elevadas para iniciarcirculación

Aumento de la velocidad desedimentación de las arenasy solidos

Succión en la sarta deperforación

Perdida de Filtrado

LODO

FormaciónFormación

FiltradoFiltrado

Depende de:. Propiedades de las rocas perforadas

. Permeabilidad

Tipos de filtración: Estática y Dinámica

RevoqueRevoque

Tipos de Fluidos de Perforación

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

. Selección adecuada del fluido.

. Mantenimiento adecuado ( propiedades )

. Planificación: Tipos de formación, equipos de superficie,

disponibilidad de aditivos, etc.

Base Agua

Base AceiteBase Aceite

AireadosAireados

Fluidos Base AguaFluidos Base Agua

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

Existen varios tipos:

Lodo de Agua Fresca - no Inhibido

Fase acuosa con sal a bajas concentraciones y Arcilla

Sódica.

Son simples, baratos. aditivos viscosificantes, dispersantes,

Soda Cáustica y Barita.

Diseñados para perforar zonas arcillosas hasta 220 °F.

Muy sensibles a contaminaciones

Este sistema esta conformado de la forma siguiente:

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

Lodos de Agua Fresca

. Formaciones duras

. Agua dulce o salada

. Altas velocidades anulares para remoción de sólidos

Lodo de Agua Fresca -no Inhibido

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

Lodos Nativos

Son utilizados para perforarzonas superficiales (hasta 1500)

Densidades hasta de 10.0 LpgNo requiere de controlde filtrado

Propiedades reológicasno controladas

Continua dilución paraprevenir floculación

Se deben controlar los sólidospara un efectivo mantenimiento

Requieren de continua dilución

Lodos de Agua-Bentonita

Es un lodo de inicio de la perforación, constituido poragua y Bentonita recomendado para ser usado hasta4000´

Características:

• Buena capacidad de acarreo

• Viscosidad controlada y control de filtrado

• Buena limpieza del hoyo

• Bastante económico.

Lodos con Taninos - Soda Cáustica

Es un lodo base agua con Soda Cáustica y Taninoscomo adelgazantes, pude ser de alto como de bajoPh. No se utilizan con frecuencia, son afectados porla temperatura

Lodos de Fosfatos

Es un lodo tratado con adelgazantes ( SAAP ),

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

Lodos de base agua Inhibidos

Su fase acuosa permite evitar la hidratación y desintegración deArcillas y Lutitas hidratables mediante la adición de Calcio

Calcio (Cal, Yeso y CaCl2 )

Arcillas SódicasArcillas Sódicas

Mecanismo :

Plaquetas de ArcillaPlaquetas de ArcillaLiberación de agua

Reducción deltamaño partícula

Reducciónviscosidad

Lodo con mayor cantidad de sólidosy propiedades reológicas mínimas

Arcillas CálcicasArcillas Cálcicas

Lodos tratados con CalLodos tratados con Cal

Utilizan la Cal ( Ca (OH)2 ) como fuente de Calciosoluble en el filtrado.

Composición:

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

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

* Soportan contaminación con sal hasta 60000 ppm

Lodos tratados con YesoLodos tratados con Yeso

Utilizan el Sulfato de Calcio como electrolito parala inhibición de Arcillas y Lutitas hidratables.

Características:

• Ph entre 9.5 y 10.5

• Concentración de Calcio en el filtrado de 600 a 1200 ppm

• Tienden a flocularse por altas temperaturas

• Resistentes a la solidificación por temperatura

Lodos tratados con LignosulfonatoLodos tratados con Lignosulfonato

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

Ventajas de su aplicación:

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

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

Lodos en agua saladaLodos en agua salada

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

La sal aumenta el poder de inhibir la hidratación de Arcillas

Se deben utilizar para:• Perforar zonas con agua salada y Domos de sal

• Evitar la hidratación de Arcillas y Lutitas hidratables

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

Lodos de Bajo ColoideLodos de Bajo Coloide

Son lodos de base agua con Polímeros como agentesviscosificantes y con bajo contenido de Bentonita ocompuesto coloidal

• Presencia de formaciones solubles de Calcio

• Intercalaciones de sal

• Flujo de agua salada

• Contaminación con CO2

• Presencia de formaciones solubles de Calcio

• Intercalaciones de sal

• Flujo de agua salada

• Contaminación con CO2

Permite obtener grandes beneficios como son:

• Incremento de la tasa de penetración• Mejora la limpieza del hoyo• Mejora la estabilidad del hoyo

• Incremento de la tasa de penetración• Mejora la limpieza del hoyo• Mejora la estabilidad del hoyo

Lodos Base Aceite

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

Lodo Inverso

Agua ( fase dispersa) Aceite ( fase continua )Aceite ( fase continua )

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

EMULSIFICANTE

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

Lodos Base Aceite

Bajas perdidas de fluido

Prevenir atascamiento diferencial

Reducción de torques enpozos direccionales

Controlar y prevenir la hidratación de Arcillas y Lutitas

Toma de núcleosPerforación en

ambientes corrosivos

Perforación de formaciones de baja presión

Ventajas

Lodo Base Aceite

Componentes:

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

Problemas de campo -Análisis y SolucionesProblemas de campo -Análisis y Soluciones

* Degradación de componentes químicos (aditivos). Degradación bacteriana

. Degradación Térmica

. Degradación por Oxidación ( Oxigeno )

* Contaminación de fluidos de perforación. Con Cemento

. Lodo cortado por gas

. Con agua salada o sal

. Con Calcio

. Gelatinización por alta temperatura

. Con Anhidrita y Yeso

. Con solidos

ContaminacionesContaminaciones

Cemento: Producto de las Cementaciones de losrevestidores. Es controlable y puede prevenirsecon antelación.

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

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

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

Lodo cortado por gas

Se produce cuando se perfora una zona de gas muyporosa a altas tasas de penetración. El gas alexpandirse produce cambios en la Densidad del lodo.

Síntomas:

. Aumento del volumen del lodo en los tanques

. Presencia de burbujas en los tanques

. Olor a gas en lineas de flujo

. Disminución de la densidad del fluido

Tratamiento:

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

. Aplicar tratamiento químico para mantener reología

. Reanudar lentamente circulación y continuar perforando

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

Problemas que puede causar en el lodo

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

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

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

CO2 y H2S

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

H S2

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

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

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

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

Anhidrita y YesoAnhidrita y Yeso

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

Síntomas

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

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

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

Carbonatos y Bicarbonatos

Se pueden originar:• Al reaccionar el Dioxido de Carbono ( CO2 ) con los iones Oxidrilo (OH)

• Sobretratamiento del lodo con Carbonato y/o Bicarbonato de Sodio• Al mezclar Arcillas Sódicas

• Al agregar Barita contaminada con Carbonatos

¿ Como identificarlos?

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

en el filtrado

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

en el filtrado

CarbonatosCarbonatos BicarbonatosBicarbonatos• Bajo Pf y alto Mf• Alto Filtrado• Altos geles• No hay presencia de Calcio

en el filtrado

• Bajo Pf y alto Mf• Alto Filtrado• Altos geles• No hay presencia de Calcio

en el filtrado

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

Pf : Fenoltaleina

Mf : Anaranjado de Metilo(indicadores)

H2SO4 como solución tituladora

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

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

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

al titular con H2SO4 y obtener el color original del filtrado

BicarbonatosBicarbonatos

en este momento el pH del filtrado es 8.3.

Pf = cc de H2SO4 utilizados

Luego se agrega Anaranjado de Metilo a la misma muestraobteniendose un color naranja que indica la presencia de iones CO3 yHCO3, se titula con H2SO4 y cambia a color rosado salmón pH = 4.3

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

La cantidad de Acido Sulfúrico utilizada para determinarel Pf, es la requerida para convertir los Carbonatos aBicarbonatos; y la empleada para titular del Pf al Mf, esla necesaria para convertir los Bicarbonatos a Dioxido deCarbono y agua

Bicarbonatos

Cálculos Básicos para Fluidos de Perforación

Volumen de lodo en el sistema:

Volumen tanques + volumen hoyo

Rectangular Cilíndrico

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

L

A

P

P

D

Vol (bls) = D x 3.1416 x P (pies)

5.615 pie / bl 5.615 pie / bl4 x3

3

Volumen del hoyo:

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

Vol. hoyo (Bls) = Diametro2 (pulg) x Longitud (pies) x 0.000972

Tubería de Perforación

Hoyo perforadoL

D

Capacidad y desplazamiento de la tubería de perforación

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

Vol. total del hoyo = ( Vol. hoyo ) + ( Vol. revest ) - (Desp. tub. perforación )

abierto( con tuberia ) [ ]

Dint.D ext.

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

[ ]

Volumen de desplazamiento de la tubería:

Volumen Anular:

Es el volumen que se encuentra entre la tubería de perforación y las paredes

del hoyo y/o revestidor

Vol anular= vol. hoyo - Capac - Dezpl.

c /tub tub. tub

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

Va

Caudal de la Bomba:

Se obtiene mediante el diámetro de la camisa y la longitud de la

embolada , convirtiendolo en barriles por embolada y multiplicandolo

por las emboladas por minuto.

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

Q : Bls/min o Galones/min

Tiempo de Circulación:

Fondo arriba:

Tfa =Volumen anular (bls)

Caudal bomba (bls/min)

Tiempo de circulación:

Tc =Vol. hoyo - Desp. tubería

Caudal de la bomba

Circulación completa:

Volumen total lodo,(bls)

Caudal bomba, (bls/min)Tcc =

Velocidad Anular:

Se expresa en pies /min y se determina con el Caudal de la bomba

y el volumen anular

V anular =

(Bls/min)

1029

(D hoyo ) - (D tub )2 2

Velocidad Critica:

Es la velocidad anular a la cual el modelo de flujo cambia de Laminar

a Turbulento

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

2 2

Pl d

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

Pl (dh - dt)

Vc (espacio anular) =

Donde: Vp : Viscosidad Plastica

d : Diametro interno tuberia, pulgada

Pc : Punto Cedente

Pl : Densidad del lodo, lbs/gal

dh : Diametro hoyo, pulgadas

dt : Diametro externo,pulgadas