CONTAMINACIÓN Y TRATAMIENTO DEL
FLUIDO DE PERFORACIÓN
IDENTIFICAR EL
CONTAMINANTE
DETERMINAR UN
TRATAMIENTO
PRUEBA PILOTO
PARA CONFIRMAR
EL TRATAMIENTO
TRATAR
EL CONTAMINANTE
Factores Que Afectan la Severidad de la Contaminación
• Tipo de sistema de lodo
• Tipo de contaminante
• Concentración de contaminante
• Tipo y concentración de sólidos
Contaminantes Químicos Comunes
• Cemento
• Anhidrita/yeso
• Magnesio
• Sal
• Gases ácidos (CO2 y H2S)
CONTAMINACIÓN DE
CEMENTO
Contaminación de Cemento
Ca(OH)2 Ca2+ + 2(OH)-
pH < 11,5
pH > 11,5
Solubilidad del Hidróxido de Calcio vs. pH
0
20
40
60
80
100
8 9 10 11 12pH
% Solubilidad del Calcio
Contaminación de CementoFuentes
• Perforación del cemento
• Barita contaminada
Contaminación de CementoPropiedades Físicas del Lodo
Peso del Lodo (MW) Sin cambioViscosidad Embudo (FV) AumentoVP Sin cambio a aumento ligeroPC Aumento importanteGel Inicial Aumento importanteGel a 10 min. AumentoPérdida de Filtrado AumentoSólidos Sin cambio a aumento ligero
pH AumentoPm AumentoPf AumentoMf AumentoCa2+ Aumento si pH < 11,5
Disminución si pH > 11,5
Contaminación de CementoPropiedades Químicas del Lodo
Solubilidad del Hidróxido de Calcio vs. pH
0
20
40
60
80
100
8 9 10 11 12
pH
% Solubilidad del Calcio
Contaminación de CementoTratamiento
• Eliminar el cemento duro con equipos de remoción de sólidos
• Reducir el pH y las alcalinidades
• Precipitar el ion calcio
Lignito – reducir las alcalinidadesCa(OH)2 + 2RCO2H → Ca2+ + 2RCO2
- + 2H2O
(Ácido Orgánico)
Bicarbonato Bicarbonato –– precipitar el calcioprecipitar el calcio
Ca2+ + NaHCO3 → Na+ + H+ + CaCO3 ↓
Contaminación de CementoTratamiento
SAPP - reducir las alcalinidades
precipitar el calcio
Na2H2P2O7 + 2Ca(OH)2 → 2Na+ + 2H2O + Ca2P2O7 ↓
Contaminación de CementoTratamiento
Contaminación de CementoSistema de Poliacrilamida Parcialmente Hidrolizada
(PHPA)
+2NH3CH CH CH CH CH CH
C C C C C C
O NH2O NH2O O O O O O O O
+ 2OH
- - - -
-
CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 CH2
CH2
CH CH CH CH CH CH
C C C C C C
O O O O O O O OCaOO
+ Ca
CH2 CH2 CH2 CH2 CH2
- -
2+
O-O-
Contaminación de CementoSistema de Poliacrilamida Parcialmente Hidrolizada
(PHPA)
• Tratar inicialmente con 1/2 – 1 lbs/bbl de ácido cítrico para reducir el pH a 7±.
• Tratar inicialmente con 1/4 – 1/2 lbs/bbl de bicarbonato de sodio
Contaminación de CementoSistema de PHPA / Tratamiento
• Tratar el lodo contaminado por cemento en la línea de flujo con 1/4 – 1/2 lbs/bbl de ácido cítrico para controlar el pH a < 10,0.
• Añadir bicarbonato de sodio para eliminar el resto de la contaminación de cemento mediante el tratamiento.
• No añadir polímeros al lodo hasta que se elimine el cemento mediante tratamiento y el pH se estabilice a < 10,0.
Contaminación de CementoSistema de PHPA / Tratamiento
CH2C
OH
O
C
OH
C
OHO
CH2 C
OH
O
+ 3Ca(OH)2
CH2C
O
C
OH
C
OO
CH2 C
O
O
+ 6H2O + 3Ca2+
O- -
-
2
2
Ácido Cítrico Ácido Cítrico –– reducir el pHreducir el pH
Contaminación de CementoSistema de PHPA / Tratamiento
Bicarbonato – precipitar el calcio
Ca2+ + NaHCO3 → Na+ + H+ + CaCO3 ↓
Contaminación de CementoSistema de PHPA / Tratamiento
• Tolerar:
- Diluir
- Añadir lignosulfonato
- Añadir aditivos de control de pérdida de filtrado si es necesario
Contaminación de CementoTratamiento
CONTAMINACIÓN DE ANHIDRITA/YESO
Contaminación de Anhidrita / Yeso
AnhidritaCaSO4 → Ca2+ + SO4
2-
YesoYeso
CaSO4 • 2H2O → Ca2+ + SO42- + 2H2O
Anhidrita / YesoFuente
• Formación
Anhidrita / YesoPropiedades Físicas del Lodo
Peso del Lodo (MW) Sin cambioViscosidad Embudo (FV) AumentoVP Sin cambio a aumento
ligeroPC Aumento Gel Inicial Aumento Gel a 10 min. AumentoPérdida de Filtrado AumentoSólidos Sin cambio
Solubilidad del Hidróxido de Calcio vs. pH
0
20
40
60
80
100
8 9 10 11 12pH
% Solubilidad del Calcio
Anhidrita / YesoPropiedades Químicas del Lodo
pH DisminuciónPm Disminución ligeraPf DisminuciónMf DisminuciónCa2+ AumentoCl- Sin cambio
Anhidrita / YesoTratamiento
• Precipitar el calcio
• Aumentar las alcalinidades
Carbonato de Sodio – tratar el ion calcio
Ca2+ + SO42- + Na2CO3 → 2Na+ + SO4
2- + CaCO3 ↓
Añadir soda cáustica para aumentar las alcalinidades
Anhidrita / YesoTratamiento
Anhidrita / YesoTolerancia
• Aumentar el pH a 9,5 – 10,5
• Dilución
• Añadir lignosulfonato para desfloculación
• El CO2 de la formación y de la atmósfera terminará precipitando el calcio
Solubilidad del Hidróxido de Calcio vs. pH
0
20
40
60
80
100
8 9 10 11 12pH
% Solubilidad de Calcio
Anhidrita / YesoTolerancia
Si se anticipan grandes secciones de anhidrita, convertir a
un sistema de lodo yeso
Anhidrita / YesoConversión del Sistema
• Diluir
• Exceso de yeso (8 – 12 lbs/bbl)
• Soda cáustica (pH 9,5 – 10,5)
• Lignosulfonato para desfloculación
• Agentes de control de pérdida de Filtrado que toleran Ca2+ (si es necesario)
CONTAMINACIÓN
DE MAGNESIO
Contaminación de MagnesioFuente
• Agua Salada
• Formación (sal carnalita)*
* descrita en la Sección sobre Sales
MagnesioTratamiento
• ¿Precipitar?
• ¿o Secuestrar?
Para Precipitar:
Añadir Carbonato de Sodio
Mg2+ + Na2CO3 → 2Na+ + MgCO3
MgCO3 es soluble
MagnesioTratamiento
Mg2+ + 2OH- Mg(OH)2
pH > 10,5
pH < 10,5
Para Secuestrar:Para Secuestrar:
Añadir una fuente de hidroxiloAñadir una fuente de hidroxilo
MagnesioTratamiento
CAL Ca2+(OH-)Sólo secuestra el magnesio
SODA CÁUSTICA Na+ OH-
Secuestra el magnesio y el calcio
POTASA CÁUSTICA K+OH-
Secuestra el magnesio y el calcio
MagnesioTratamiento
MagnesioEfecto sobre el Rendimiento del Lodo
• Las arcillas no se hidratan tanto en agua dura
• Pérdida de Filtrado más difícil de reducir
• Los productos no son tan solubles
CONTAMINACIÓN
DE SAL
Contaminación de SalFuentes
• Sal de Roca
• Agua de preparación
• Agua de la formación
Tipos de Sal de Roca
• Halita NaCl
• Silvita KCl
• Carnalita K MgCl3 • 6H2O
Sal(Disociación)
NaCl + H2O → Na+ + Cl- + H2O
KCl + H2O → K+ + Cl- + H2O
K MgCl3 • 6H2O + H2O →
K+ + Mg2+ + 3Cl- + 7H2O
Sal en Agua de la Formación
Na+
K+
Ca2+
Mg2+
Cl-
Contaminación de SalPropiedades Físicas del Lodo
Peso del Lodo (MW) Depende de la densidadViscosidad Embudo (FV) AumentoVP Aumento (si gran
concentración de sal)PC Aumento Gel Inicial Aumento Gel a 10 min. AumentoPérdida de Filtrado AumentoSólidos La retorta indica un
aumento
Contaminación de SalPropiedades Químicas del Lodo
pH DisminuciónPm DisminuciónPf DisminuciónMf DisminuciónCa2+ Aumento ligero a importante según el
tipo de salCl- Aumento
Contaminación de SalOpciones para el Tratamiento
• Tolerar
• Convertir a un lodo saturado de sal
• Desplazar con lodo base aceite o sintético
Contaminación de SalTolerancia
• Diluir
• Añadir Soda Cáustica para controlar el pH
• Añadir lignosulfonato para controlar el PC
• Añadir agente de control de pérdida de filtrado (si es necesario)
Contaminación de SalConversión/Desplazamiento
Convertir el sistema de lodo a un sistema saturado de sal o
desplazar con un sistema base aceite o sintético
Conversión a un Sistema Saturado de Cloruro de Sodio
• Diluir los sólidos de baja gravedad específica (LGS) (realizar una prueba piloto antes de la conversión si hay suficiente tiempo y las condiciones lo permiten)
• Añadir NaCl hasta el punto de saturación (110 – 120 lbs/bbl)• Añadir soda cáustica para mantener el pH al nivel deseado• Añadir lignosulfonato• Añadir agentes de control de pérdida de filtrado
CONTAMINACIÓN DE
CARBONATO /
BICARBONATO
Carbonato / BicarbonatoFuentes
• Aire (atmósfera) inyectado por las bombas, tolvas mezcladoras, zarandas y agitadores
• Intrusión de gas CO2
• Sobretratamiento con carbonato de sodio o bicarbonato
• Degradación de ciertos aditivos del lodo
• Mayoría de la barita
Carbonato / BicarbonatoPropiedades Físicas del Lodo
Peso del Lodo (MW) Sin cambioViscosidad Embudo (FV) Aumento ligeroVP Sin cambioPC Aumento ligeroGel Inicial Aumento ligeroGel a 10 min. AumentoPérdida de Filtrado Aumento ligeroSólidos Sin cambio
Carbonato / BicarbonatoIndicadores
• Reacción mínima o ninguna reacción a los desfloculantesquímicos
• Una reducción de las propiedades reológicas puede producirse cuando se añade soda cáustica si el pH del lodo < 10,0 antes de añadir la soda cáustica
Carbonato / BicarbonatoEquilibrio
Porcentaje
0
20
40
60
80
100
0 2 4 6 8 10 12 14pH
Porcentaje de varias especies de carbonato a diferentes valores de pH
CO3
=H2CO
3
HCO3-
Punto Cedente vs. CO32- y HCO3
-
10
20
30
40
50
60
020 40 60 80 100 120 140 160 180 200
PC (lb/100 pies²)
Milimoles / Litro
CO3
2-
HCO3
-
Carbonato / BicarbonatoPropiedades Químicas del Lodo
pH DisminuciónPm Aumenta Generalmente
Pf Aumenta GeneralmenteMf AumentoCa2+ DisminuciónCl- Sin cambio
Efecto producido cuando se usa soda cáustica sola para Efecto producido cuando se usa soda cáustica sola para aumentar el pH (sin alcalinidad debido a carbonatos o aumentar el pH (sin alcalinidad debido a carbonatos o bicarbonatos):bicarbonatos):
pHpH NaOHNaOH, lbs/bbl, lbs/bbl PfPf OH, OH, ppmppm99 0,000140,00014 0,00050,0005 0,170,17
1010 0,00140,0014 0,0050,005 1,71,71111 0,0140,014 0,050,05 17,017,01212 0,140,14 0,50,5 170,0170,01313 1,41,4 5,05,0 1.700,01.700,01414 14,014,0 50,050,0 17.000,017.000,0
OBSERVACIÓN: Cada vez que la concentración de OBSERVACIÓN: Cada vez que la concentración de NaOHNaOHaumenta en un factor de 10, el pH aumenta en una unidad.aumenta en un factor de 10, el pH aumenta en una unidad.
Prueba de Pm y Pf
0
20
40
60
80
100
0 2 4 6 8 10 12 14
Porcentaje
pHPorcentaje de varias especies de carbonato a diferentes valores de pH
CO3
=H2CO
3
HCO3
-
Iones de Hidrógeno
Prueba de Mf
0
20
40
60
80
100
0 2 4 6 8 10 12 14
Porcentaje
pHPorcentaje de varias especies de carbonato a diferentes valores de pH
CO3
=H2CO
3
HCO3
-
Iones de Hidrógeno
Métodos para Determinar los Carbonatos
• Método de Pf / Mf
• Método de pH / Pf
• Tren de Gas de Garrett
Método de Pf / Mf
• El método de Pf/Mf no es un método cuantitativo para determinar la concentración de ion carbonato/bicarbonato en el lodo.
• Modificando las razones Pf/Mf se puede establecer tendencias, las cuales pueden ser usadas para determinar la probabilidad de carbonato/bicarbonato
• Si Mf < 5,0 cc de 0,02N H2SO4, en general no hay ningún problema de carbonato
• Si Mf > 5,0 cc y la razón Mf/Pf aumenta, será necesario usar un método de determinación más cuantitativo (pH/Pf o un Tren de Gas de Garrett)
Método de Pf / Mf
• Para un análisis cuantitativo de los carbonatos, es crítico usarun medidor de pH preciso.
• Medir y registrar a partir de la hoja de control de lodo: pH, Pf y fracción de agua (Wf)
• Determinar a partir de los cálculos: cantidad de CO32- y/o
HCO3- (mg/l) presente en el lodo
Método de pH/Pf
Carbonato / BicarbonatoTratamiento
0
20
40
60
80
100
0 2 4 6 8 10 12 14
Porcentaje
pHPorcentaje de varias especies de carbonato a diferentes valores de pH
CO3
=H2CO 3
HCO3
-
Solubilidad del Hidróxido de Calcio vs. pH
0
20
40
60
80
100
8 9 10 11 12
pH
% Solubilidad del Calcio
Carbonato / BicarbonatoTratamiento
pH < 10 Añadir cal
pH 10 > < 11 Añadir cal y yeso
pH > 11 Añadir yeso
Reacciones QuímicasReacciones Químicas
IntrusiónIntrusión de Gas COde Gas CO22
COCO22 + H+ H22O [ HO [ H22COCO3 3 ] (] (ácidoácido carbónicocarbónico))
FormaciónFormación de de ácidoácido carbónicocarbónico
[H2CO3] + NaOH NaHCO3 + H2O
Formación de bicarbonatos cuando el pH aumenta
NaHCO3 + NaOH Na2CO3 + H2O o
[H2CO3] + Ca(OH)2 CaCO3 ↓ + 2H2O(ppt)
Formación de carbonatos cuando el pH aumenta
pH
4,3
4,3-8,3
8,3-11,7
Tren de Gas de Garrett
Carbonato / BicarbonatoSólidos vs. Carbonatos
Muchas veces se considera que un problema de sólidos es un problema de carbonatos. Ambos aumentan la viscosidad y los esfuerzos de gel del lodo, especialmente en la línea de flujo.
El siguiente análisis debería determinar si el problema resulta de la contaminación de sólidos o de carbonato / bicarbonato:
Sólidos vs. CarbonatosAnálisis
• Analizar los sólidos del lodo.
• Buscar tendencias que se han desarrollado durante los últimos días.
• Prestar atención particular al aumento de los sólidos de baja gravedad específica, MBT y VP.
• Después de la evaluación completa de los sólidos, examinar la química del lodo:
Si el pH disminuye y la Pf aumenta o sigue igual, esto constituye la primera señal de un problema de carbonatos.
Si el pH disminuye y la Pf también disminuye, el problema está probablemente relacionado con los sólidos.
Sólidos vs. CarbonatosAnálisis
CONTAMINACIÓN DE SULFURO DE
HIDRÓGENO (H2S)
Contaminación de H2SFuentes
• Formación
• Bacterias Anaerobias (generalmente insignificantes)
• Agua de preparación (generalmente insignificante)
Contaminación de H2SIndicadores
• Aumento de la viscosidad, punto cedente y esfuerzos de gel en la línea de flujo
• Disminución del pH y de las alcalinidades
• Olor sulfuroso fétido en la línea de flujo
• Oscurecimiento del lodo
• La columna de perforación se vuelve negra
Sulfuro de HidrógenoPropiedades Físicas del Lodo
Peso del Lodo (MW) Sin cambioViscosidad Embudo (FV) AumentoVP Sin cambio PC Aumento Gel Inicial Aumento ligeroGel a 10 min. AumentoPérdida de Filtrado Aumento ligeroSólidos Sin cambio
Sulfuro de HidrógenoPropiedades Químicas del Lodo
pH DisminuciónPm DisminuciónPf DisminuciónMf DisminuciónCa2+ Disminución LigeraCl- Sin cambio
Sulfuro de HidrógenoReacción Química
H2S H+ + HS- 2H+ + S2-
Distribución Aproximada de H2S, HS- y S2- Según el pH
pH
Porcentaje de Sulfuro Total
3 6 9 120,01
0,1
1
10
100
HS-H 2S
S2 -
Sulfuro de HidrógenoTratamiento
• Aumentar el pH a > 9,0
• Amortiguar el pH > 9,0
• Separar los Sulfuros mediante precipitación
• S2- + ZnO → ZnS ↓ + O2-
SULF-X (ZnO)
1 lb/bbl elimina aproximadamente 1100 mg/l S2-
SULFATREAT1 lb/bbl elimina aproximadamente 2000 mg/l S2-
Sulfuro de HidrógenoTratamiento
TABLA 1 TRATAMIENTO QUÍMICO EN UNIDADES NORTEAMERICANAS
Contaminante Ion Contaminante Tratamiento Concentración de Tratamiento, lbs/bbl
Dióxido de Carbono Carbonato Bicarbonato Carbonato Total Soluble
Yeso para reducir el pH Cal para aumentar el pH Cal para aumentar el pH Cal para aumentar el pH
Mg/l x Fw x 0,00100
Mg/l x Fw x 0,000432 Mg/l x Fw x 0,00424 Mg/l x Fw x 1,283
Yeso y Anhidrita Calcio Carbonato de Sodio SAPP Bicarbonato de Sodio
Mg/l x Fw x 0,000928 Mg/l x Fw x 0,000971 Mg/l x Fw x 0,000735
Cal o Cemento Hydroxilo
Bicarbonato de Sodio SAPP Ácido Cítrico
LB/BBL exceso de cal x 1,135 LB/BBL exceso de cal x 1,150
LB/BBL exceso de cal x 1,893
Agua Dura o Agua de Mar
Calcio y Magnesio Soda Cáustica Mg/l x Fw x 0,00116
Sulfuro de Hidrógeno
Sulfuro (H2S, HS-, S2-) SULF-X (óxido de zinc***) más suficiente soda cáustica para mantener el pH encima de 10,5
Mg/l x Fw x 0,00091
*Fw es el % fraccionario de agua de la retorta **Exceso de cal = 0,26 (Pm-(Pf x Fw)) ***También se pueden usar otros compuestos de zinc tales como el zinc quelado o el carbonato de zinc. Un exceso siempre debe ser mantenido en el sistema.
CONTAMINACIÓN DE
SÓLIDOS
Contaminación de Sólidos
• Exceso de sólidos de baja gravedad específica
• Exceso de sólidos finos
Contaminación de Sólidos
El efecto de los sólidos sobre un lodo depende de:
• Concentración• Reactividad• Tamaño y forma
Cuando la temperatura de fondo aumenta, el efecto de los sólidostambién aumenta
Exceso de Sólidos de Baja Gravedad EspecíficaPropiedades Físicas del Lodo
Peso del Lodo (MW) Aumento ligero probableViscosidad Embudo (FV) AumentoVP AumentoPC AumentoGel Inicial AumentoGel a 10 min. AumentoPérdida de Filtrado Disminución ligeraSólidos AumentoMBT Aumento
Exceso de Sólidos de Baja Gravedad Específica Propiedades Químicas del Lodo
pH Disminución ligeraPm Disminución ligeraPf Disminución ligeraMf Disminución ligeraRazón Pf/Mf Sin cambioCa2+ Sin cambio a aumento ligeroCl- Sin cambio a aumento ligero
Exceso de Sólidos FinosPropiedades Físicas del Lodo
Peso del Lodo (MW) Sin cambioViscosidad Embudo (FV) Aumento ligeroVP Aumento PC Aumento ligeroGel Inicial Aumento ligeroGel a 10 min. AumentoPérdida de Filtrado Sin cambioSólidos Sin cambioMBT Aumento ligero si los sólidos son
reactivos, sin cambio si se trata de barita
Exceso de Sólidos FinosPropiedades Químicas del Lodo
pH Disminución ligeraPm Disminución ligeraPf Disminución ligeraMf Disminución ligeraRazón Pf/Mf Sin cambioCa2+ Sin cambio Cl- Sin cambio
Exceso de Sólidos de Baja Gravedad EspecíficaTratamiento
• Realizar un análisis de costos para determinar si se debe añadir una centrífuga para mejorar la eficiencia del control de sólidos
• Añadir una centrífuga en base al análisis de costos y operarla como unidad de recuperación de barita
• Realizar un análisis de costos para determinar si es necesario diluir o desplazar
• Desplazar con lodo nuevo o diluir en base a los resultados del análisis de costos
Exceso de Sólidos de Baja Gravedad EspecíficaTratamiento
Contaminación de SólidosEfecto
El exceso de sólidos aumenta la severidad de TODOS los
contaminantes