43179-212157-2-PB

Boletn Ciencias de la Tierra, Nro. 35, pp. 5-14. Medelln, julio de 2014. ISSN 0120-3630

MEJORAMIENTO DE LOS FLUIDOS DE PERFORACIN USANDO NANOPARTCULAS FUNCIONALIZADAS:

EDUCCIN DE LAS PRDIDAS DE FILTRADO Y DEL ESPESOR DE LA RETORTA

OPTIMIZATION OF DRILLING FLUIDS USING FUNCTIONALIZED NANOPARTICLES: LOSS

FILTRATION REDUCTION AND THICKNESS MUDCAKE

STEFANA BETANCUR-MRQUEZ Est de ingeniera de petrleos, Universidad Nacional de Colombia sede Medelln, [email protected]

GUILLERMO A. ALZATE-ESPINOSA M.Sc. en Ingeniera de Petrleos, Profesor Asociado Universidad Nacional de Colombia Sede Medelln, [email protected]

FARID B. CORTS-CORREA PhD. en Ing-Sistemas energticos, Profesor Universidad Nacional de Colombia. [email protected]

Recibido para revisar: 02-Febrero-2014, Aceptado: 09-Abril-2014, versin final: 06-Mayo-2014.

RESUMEN: El uso de los fluidos de perforacin (FP) en las operaciones de campo, ocasiona diversos problemas entre los que se encuentran daos a la formacin, prdidas por circulacin y formacin de una retorta que en caso de ser permeable y gruesa, puede ocasionar inestabilidad en las paredes del pozo, atascamiento de tubera e hinchamiento de formaciones de arcillas en el caso de fluidos del tipo base agua (WBM, por sus siglas en ingls). Con el objetivo de minimizar los problemas asociados a la inyeccin de FP, se propuso la evaluacin de una modificacin del FP convencional base agua que incluye el uso de nanopartculas funcionalizadas a diferentes concentraciones. La funcionalizacin de las nanopartculas se realiz mediante la tcnica de impregnacin incipiente. Las nanopartculas vrgenes fueron caracterizadas por adsorcin de nitrgeno a 77 K y difraccin de rayos X (DRX). Los FP se evaluaron a partir del estudio reolgico, la medicin de propiedades fsico-qumicas (densidad y pH), y mediante la prueba de filtrado API (American Petroleum Institute: API, por sus siglas en ingls) que sigue la norma API 13B-1. Los fluidos de perforacin presentaron un comportamiento reolgico no newtoniano independiente del tiempo, al igual que los FP modificados con el uso de nanopartculas. La densidad (8.5 lbm/gal) y el pH se mantuvieron constantes despus de la adicin de nanopartculas. Las nanopartculas de slice funcionalizadas con carboximetilcelulosa (CMC) fueron las que mostraron los mejores resultados basados en las prdidas de filtrado y en la reduccin del espesor de la retorta. Los resultados obtenidos con CMC en slice fueron los siguientes: reducciones en las prdidas de filtrado y en la retorta de 23% y 70%, respectivamente. En los resultados tambin se observ que las nanopartculas de slice no generan efectos adversos sobre las propiedades del FP, tales como densidad, viscosidad y pH. Otra caracterstica importante de las nanopartculas de slice son los grupos silanol (SiOH) que actan como centros de adsorcin, lo que permite su funcionalizacin con CMC y favorece el desarrollo de sus propiedades viscosificantes en los FP.

Palabras Clave: Fluido de perforacin, nanopartcula, slice, retorta, permeabilidad, prdida de filtrado.

ABSTRACT: Using drilling fluids (DF) in field operations is associated with several problems including formation damage, lost circulation and the formation of a mudcake. High permeability of the mudcake causes instability in wellbore, pipe sticking and swelling of clay formations in the case of Water Based Muds (WBM). In order to minimize some of these associated problems with the use of DF, a new fluid is proposed by inclusion of four different functionalized nanoparticles in a WBM at different concentrations. The functionalization of the nanoparticles was performed by incipient impregnation technique. Virgin and functionalized nanoparticles were characterized by nitrogen adsorption at 77 K (physisorption) and X-ray diffraction (XRD). Bentonitic WBM were evaluated (with a constant density of 8.5 lbm/gal) and also modified with the addition of functionalized nanoparticles. Such fluids were tested by a rheological study, measurement of physicochemical properties (density and pH) and through the American Petroleum Institute (API) filter test following the standard API RP 13B -1. The original or base DF showed a non-Newtonian rheological behavior independent of the time, as well as the modified DF using nanoparticles. The density and the pH remained constant after the addition of nanoparticles. Silica nanoparticles functionalized with CMC were those which showed best results based on the fluid loss and reducing the thickness of the mudcake. The results obtained with silica nanoparticles funcionalizated with CMC showed reduction in fluid loss and in the thickness of the mudcake of 23 and 70%, respectively. This behavior is due to that silica nanoparticles do not generate adverse effects on the properties of the DF, such as density, viscosity and pH. Another important characteristic of the silica nanoparticles are the silanol groups (SiOH) which act as adsorption centers, allowing functionalization with CMC and viscosifying properties that favors the DF performance.

Keywords: Drilling fluid, nanoparticle, silica, mudcake, permeability, circulation loss.


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1. INTRODUCCIN

Los fluidos de perforacin (FP) deben realizar de manera simultnea mltiples funciones, como enfriar la broca, controlar las presiones, lubricar la tubera de perforacin, asegurar que la retorta se forme y evitar daos a la formacin. Sin embargo, segn Hoelscher et al. (2012), s el fluido falla en alguna de sus funciones se podran presentar graves problemas como prdida de circulacin, daos a la formacin, pega de tubera, erosin de la formacin y altos valores de torque y arrastre que reducen significativamente la eficiencia de la perforacin. La aparicin de estos problemas es ms probable en condiciones de alta presin y alta temperatura, debido a que los FP experimentan la degradacin de las propiedades fsico-qumicas del fluido, propiciando daos a la formacin. En consecuencia, han sido propuestos diversos aditivos y materiales para mitigar los problemas asociados al uso de los fluidos de perforacin. Segn el manual de fluidos de Baroid-Halliburton Company (2000), en el caso del control de filtrado se usan aditivos como lignitos, materiales asflticos, carbonato de calcio, y polmeros para control de filtrado. Adicional, para el control de la viscosidad se puede hacer uso de resinas y arcillas bentonticas. De forma similar se tiene una amplia gama de aditivos para controlar propiedades como densidad, alcalinidad, floculacin, entre otras. El uso de la nanotecnologa se ha venido difundiendo recientemente en la industria del petrleo y gas debido a que los tamaos de las nanopartculas entre 1 y 100 nm, proporcionan una alta relacin de rea superficial / volumen que favorecen los fenmenos de transferencia de masa y energa, y pueden mitigar los problemas asociados a la perforacin (Franco et al., 2013). Algunos autores han evaluado el uso de nanopartculas para mejorar el desempeo de los fluidos de perforacin. Abdo et al. (2010) usaron nanopartculas como un aditivo en los fluidos de perforacin, y modificaron la reologa del fluido mediante el cambio de la composicin, tipo o tamao del aditivo. La capacidad de las nanopartculas para adaptarse a cualquier situacin en particular puede disminuir el uso de otros aditivos costosos y mejorar la funcionalidad de los fluidos. Saboori et al. (2012) estudiaron el efecto de las nanopartculas de CMC de (1-100 nm) en el grosor de la retorta y la prdida de circulacin del fluido de perforacin. Los fluidos de perforacin fueron evaluados mediante la prueba de filtrado API, que hace uso del filtro prensa a baja presin y baja temperatura (LP-LT). Las nanopartculas polimricas causan la formacin de ms partculas coloidales en comparacin con los slidos presentes en el fluido de perforacin, y concluye que se presenta disminucin del espesor de la retorta y reduccin del volumen de filtrado del fluido de perforacin en un 65% y 7%, respectivamente. Hoelscher et al. (2012), basaron su investigacin en el uso de nanopartculas en los fluidos de perforacin para mejorar la permeabilidad y reducir la prdida de agua en las

formaciones de lutita, Marcellus y Manco ubicados en los EE. UU. El estudio se enfoc en la formulacin de un fluido de perforacin base-agua menos reactivo con la formacin y que a su vez mejorara la estabilidad del pozo mediante el uso de nanopartculas de slice. En el estudio evaluaron el comportamiento de las nanopartculas al considerar seis sales comnmente presentes en las formaciones (CaCl2, NaOH, KCl, Na2CO3, KCO3, NaOH, cada una con pH 11) y con cuatro tipos de tratamientos (A, B, C, D) a diferentes tamaos de partcula. La prdida de fluidos ms baja se obtuvo con las nanopartculas con tamao con 10-30 nm; adicional, el volumen de filtrado ms bajo correspondi al tratamiento D, el cual report un volumen de 4 mL en comparacin con un volumen de 50 mL reportado para los dems tratamientos. Husein et al. (2012) experimentaron con nanopartculas (NPs) comerciales con el fin de reducir las prdidas de circulacin del fluido de perforacin. Las NPs evaluadas en el FP con tamaos entre 20 y 40 nm, redujeron la prdida de circulacin en virtud de su capacidad para bloquear los pequeos poros y su capacidad para interactuar con las partculas de arcilla. Para esto prepararon dos tipos de fluidos, un fluido de perforacin base aceite y un fluido de perforacin base agua. La prueba usada para la valoracin del filtrado fue la prueba API. Los resultados obtenidos sealan una reduccin de prdida de fluidos de un 70% comparado con un 9% obtenido con materiales comerciales usados para prdida de circulacin; LCM por sus siglas en ingls. El espesor de la retorta no fue relevante en esta investigacin, puesto que los sistemas valorados presentaron valores similares. Sin embargo, los autores sealan que el valor ptimo del espesor de la retorta debe ser inferior a 1 mm para que pueda haber reduccin de prdidas de filtrado. Javeri et al (2011), investigaron el uso de nanopartculas de slice para la mitigacin de problemas como prdida de circulacin y pega de tubera. Las nanopartculas de slice utilizadas poseen una gravedad especfica de 2.33 y un dimetro entre 40 y 130 nm. El objetivo propuesto en la investigacin estuvo enfocado al uso del nanomaterial para disminuir el espesor de la retorta. Los resultados muestran una reduccin de un 34% del espesor de la retorta, adicional a reducciones tanto en la viscosidad plstica como del punto de cedencia de 7% y 20%, respectivamente. Esto se presenta porque las nanopartculas permiten la formacin continua de la retorta y un menor volumen de filtrado que ingresa en la formacin; es decir, se tiene un espesor menor que en los casos tpicos. Algunos autores como Sharma et al. (2012), han estudiado el efecto de las nanopartculas en WBM para controlar el hinchamiento de las formaciones de lutita. El material seleccionado para este estudio fue nanoslice con un tamao de 20 nm. La metodologa de evaluacin, consisti en una prueba inicial de permeabilidad de la lutita, una evaluacin de las nanopartculas como inhibidor fsico, pruebas de las propiedades reolgicas de WBM y finalmente, pruebas de mineraloga en la lutita estudiada. Se realizaron pruebas para evaluar la invasin de agua en las lutitas cuando

Mejoramiento de los fluidos de perforacin usando nanopartculas funcionalizadas: educcin de las prdidas de filtrado y del espesor de la retorta Betancur-Mrquez et al

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entraban en contacto con fluidos de perforacin con nanopartculas. La invasin de agua en la formacin se redujo entre 10 y 100 veces. Los autores tambin sealan la reduccin en los costos de perforacin y los beneficios ambientales al usar FP con nanopartculas. El uso de nanopartculas de slice soportadas en los FP estudiados en este artculo, constituye una nueva alternativa para la solucin a los problemas que se presentan en las operaciones de perforacin por prdidas de filtrado y la formacin de una retorta gruesa que ocasionan pega de tubera e inestabilidad en las paredes del hueco. En la literatura especializada no existen reportes del uso de nanopartculas soportadas en los fluidos de perforacin para mejorar su desempeo. Por lo tanto, el objetivo de esta investigacin es evaluar el uso de las nanopartculas funcionalizadas en los fluidos de perforacin WBM que permita reducir las prdidas de filtrado y el espesor de la retorta. En este trabajo se evaluaron 16 nanopartculas soportadas basadas en dos soportes de diferentes naturalezas qumicas y superficiales.

2. SECCIN EXPERIMENTAL

A continuacin se presentan los materiales y mtodos experimentales usados para llevar a cabo esta investigacin.

2.1. Materiales

El fluido de perforacin usado es base agua - bentonita (Baroid, Estados Unidos). Las nanopartculas adicionadas al fluido de perforacin preparado fueron slice (Sigma Aldrich, Estados Unidos), almina (Sigma Aldrich, Estados Unidos) y slice en suspensin coloidal 50 wt% en agua (Sigma Aldrich, Estados Unidos). Las nanopartculas fueron modificadas a nivel superficial mediante el mtodo de impregnacin incipiente. En los procesos de impregnacin de las nanopartculas se us residuo de refinera (VR, por sus siglas en ingls) obtenido de la refinera de Barrancabermeja-Colombia, tolueno (99%, Panreac, Espaa), Ni(NO3)2 (Merk KGaG, Germany), CarboximetilCelulosa CMC (Amtex, Colombia) y asfaltenos. Los asfaltenos se precipitaron con una solucin n-heptano (99%, Sigma Aldrich, Estados Unidos) a partir del crudo colombiano Capella de 10.5API.

2.2. Mtodos experimentales

2.2.1. Extraccin de asfaltenos

Los asfaltenos fueron precipitados a partir del crudo Capella siguiendo el procedimiento estndar seguido por Nassar et al. (2010) y Franco et al. (2013): Se adicion n-heptano en

exceso al petrleo crudo en una relacin de volumen 40:1. La mezcla fue sometida a un bao ultrasnico por 2 horas a 298 K y agitada a 300 rpm por 20 horas. Los asfaltenos precipitados fueron recogidos luego de la decantacin y fueron lavados con n-heptano fresco en una relacin 1:4 (g/mL), posteriormente fueron centrifugados a 500 rpm durante 15 min y se dejaron reposar durante 24 horas. Los asfaltenos fueron separados de la solucin final por filtracin con un papel filtro Whatman grado 2:8 m. El residuo fue lavado con n-heptano varias veces hasta que el color de los asfaltenos fuera negro brillante. Finalmente, los asfaltenos obtenidos fueron homogenizados, macerados con un mortero y secados a 298 K al vaco durante 12 horas.

2.2.2. Impregnacin de las nanopartculas

La impregnacin de las diversas nanopartculas usadas en el fluido de perforacin se hizo con base en el mtodo de impregnacin incipiente. Las nanopartculas de slice fueron impregnadas con una solucin acuosa de CMC en diferentes porcentajes de masa (10, 20, 30%) y fueron secadas a 373 K durante 6 horas. Posteriormente fueron puestas en un desecador durante 3 horas y recogidas para ser agregadas al fluido de perforacin. Las nanopartculas de almina fueron impregnadas con CMC en un porcentaje de masa de 10% y en otra prueba fueron impregnadas con Ni(NO3)2 a porcentajes de masa de 5 y 15%. Otro material que fue probado para la impregnacin de las nanopartculas de slice fue residuo de refinera (VR) en un porcentaje de masa de 10% y asfaltenos con el mismo porcentaje. En este caso el solvente usado en el mtodo de impregnacin incipiente fue tolueno. La temperatura y el tiempo de secado fueron los mismos que los usados en las impregnaciones acuosas y ambos materiales fueron usados por separado en la prueba de filtrado API. En este trabajo, las nanopartculas estn nombradas con las iniciales del soporte, seguidas del porcentaje y de las iniciales del material con el que se funcionaliz. A manera de ejemplo, las nanopartculas de slice funcionalizadas con 10% de CMC, estn nomencladas como: Si/10CMC.

2.2.3. Medidas de rea superficial y tamao de partcula

Las medidas de rea superficial (SBET) de las nanopartculas fueron realizadas siguiendo el mtodo de Brunauer Emmmett-Teller (BET), el cual se hace mediante la adsorcin-desorcin de nitrgeno a 77 K usando un Autosorb-1 analyzer (Quantacrome Instruments, Estados Unidos). Las muestras se desgasificaron a 413 K bajo una corriente de flujo de N2 durante la noche antes de su anlisis. Las reas superficiales fueron calculadas usando la ecuacin BET descrita por Rouquerol et al. (1999). El tamao de las nanopartculas fue determinado utilizando un difractmetro de rayos X, X Pert PRO MPD (PANalytical, Almelo, Holanda), con radiacin Cu K que opera a 60 kV


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y 40 mA con un gonimetro de /2. El tamao medio de las partculas (dp) se obtiene aplicando la ecuacin de Scherrer al pico de difraccin caracterstico, descrita por Klug et al. (1974).

2.3. Preparacin y evaluacin del comportamiento reolgico del fluido de perforacin

En la preparacin del fluido de perforacin se tom como base una mezcla de agua desionizada bentonita con una densidad de 8.5 lbm/gal 0.1lbm/gal. El fluido de perforacin se homogeniz a 16000 rpm durante 30 minutos. Se mantuvo un pH constante de 9 0.1 y una temperatura de 298 K durante el proceso. Para evaluar el comportamiento reolgico del fluido de perforacin preparado, se midi la viscosidad en el viscosmetro rotacional Fann modelo 35 a diferentes velocidades: 600, 300, 200, 100, 6 y 3 rpm. A partir de los puntos obtenidos se construy una grfica de esfuerzo de corte contra velocidad de corte y se concluy acerca del comportamiento y posible modelo reolgico asociado al FP en anlisis.

2.4. Prueba de filtrado API

Luego de la preparacin del fluido de perforacin, se prepararon las muestras con las diferentes nanopartculas a evaluar en la prueba de filtrado API, teniendo en cuenta la concentracin que tendran en el fluido de perforacin. Cada una de estas muestras se adicion a 500 mL de fluido de perforacin previamente preparado y se mezclaron por separado en una batidora Hamilton Beach HMD400-UK hasta que la mezcla fuera homognea. Se midi la viscosidad en el viscosmetro rotacional Fann modelo 35 a cada una de las muestras preparadas y al fluido de perforacin usado como blanco para la comparacin. Adems, se midi y se registr el pH con un ph-metro digital marca Oakton Waterproof EcoTestr pH 2. La densidad del fluido de perforacin y de las mezclas usadas, fueron medidas con una balanza de lodos Baroid. La prueba de filtrado API permite la evaluacin de las siguientes caractersticas del FP:

Revoque o retorta: La retorta es obtenida por la acumulacin de slidos mediante el proceso de filtracin. Segn Ariza et al. (2013), una buena torta debe tener entre 1/32 in (0.079 cm) y 2/32 in (0.015cm) de espesor, ser plstica y consistente. Generalmente es medido en 1/32avos de pulgada o en milmetros.

Prdida por filtrado: Este parmetro provee una indicacin de la invasin de filtrado de fluido de perforacin hacia la formacin, y se reporta en mL para un tiempo de prueba de 30 minutos y un diferencial de presin de 100 psi.

Segn Ariza et al. (2013), la prueba estndar API de filtrado es la prueba primaria de filtracin para la evaluacin de los

fluidos de perforacin base agua. Esta prueba evala el comportamiento de un aditivo como agente controlador de filtrado en el fluido de perforacin. El filtrado indica la cantidad relativa de lquido que se filtra a travs de la retorta hacia las formaciones de roca permeables, cuando el fluido es sometido a una presin diferencial. Segn el manual de fluidos de Baroid Halliburton Company (2000), para realizar la prueba de filtrado API, inicialmente se debe contar con un filtro prensa que deben cumplir con las especificaciones API 13B-1, papel filtro, cronmetro y un cilindro graduado de 25 50 mL. Se recoge una muestra del fluido de perforacin usado como blanco y las muestras que van a ser comparadas con el fluido de perforacin y se arma la celda con el papel filtro en su lugar. Se deposita la muestra en la celda hasta 13 mm de la parte superior. Se introduce la celda dentro del marco y se coloca y ajusta la tapa sobre la celda. Se coloca un cilindro graduado seco debajo del tubo de drenaje. Se cierra la vlvula de alivio y ajusta el regulador. Se mantiene la presin de 100 psi durante 30 minutos. Posteriormente se cierra el flujo con el regulador de presin y se abre con cuidado la vlvula de alivio. Se registra el volumen de filtrado en el cilindro graduado con precisin del ms prximo mL. Se afloja la presin, y se verifica que ha sido descargada toda la presin, y se retira la celda del marco. Posteriormente, se desarma la celda y se descarta el fluido de perforacin. Se deja la costra del lodo sobre el papel y se lava ligeramente con el fluido base para quitar todo el exceso de lodo. Se mide y registra el espesor de la costra con aproximacin de 1/32 pulgadas (1.0 mm). La temperatura se debe mantener constante en 298 K durante el procedimiento experimental.

3. RESULTADOS

3.1. Caracterizacin de materiales

La Tabla 1 muestra el rea superficial BET y el tamao de partcula de las nanopartculas usadas como soportes para la sntesis de las partculas soportadas.

Tabla 1. Valores estimados de dimetro de nanopartcula (dp) y rea superficial (SBET) de las nanopartculas seleccionadas.

Material dp0.03 nm SBET 0.01 m2/g

Slice (comercial) 7 232.30 Almina (comercial) 45 223.20

3.2. Comportamiento reolgico del fluido de perforacin

Para determinar el modelo reolgico que sigue el fluido de perforacin, se grafica la velocidad de corte contra el esfuerzo de corte como se presenta en la Figura 1.

Mejoramiento de los fluidos de perforacin usando nanopartculas funcionalizadas: educcin de las prdidas de filtrado y del espesor de la retorta Betancur et al

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Figura 1. Modelo reolgico plstico de Bingham del fluido WBM.

En la Figura 1, se observa que los puntos siguen una tendencia lineal y el intercepto es distinto del origen, por lo que la grfica se asoci directamente con el modelo plstico de Bingham. De esta manera, se obtuvo la viscosidad plstica con un valor de 7 cp, el punto de cedencia con 8 lbf/100 ft2 y la viscosidad aparente con 5 cp. Segn estos datos puede indicarse que el fluido de perforacin obtenido es un fluido no newtoniano independiente del tiempo, debido a que sus propiedades reolgicas no cambian con la duracin del esfuerzo de corte. Este tipo de fluidos requieren vencer un esfuerzo inicial finito para iniciar su movimiento. En la Tabla 2, se muestran los resultados de viscosidad para todos los sistemas evaluados. Se puede observar que la presencia de CMC en el fluido de perforacin afecta la lectura de la viscosidad: cuanto mayor es la concentracin de CMC impregnado en las nanopartculas, mayor es la reduccin de viscosidad del fluido. Estos resultados son contrarios a los esperados, puesto que por ser un material viscosificante, el CMC tiende a aumentar la viscosidad del fluido en anlisis. Sin embargo, este comportamiento se presenta debido al efecto sinrgico que ejerce la slice y el CMC sobre las propiedades del fluido de perforacin. Para los dems sistemas, la viscosidad permanece constante.

3.3. Densidad y pH

Los resultados obtenidos en la pruebas de densidad y pH para cada una de las muestras modificadas no indican variacin. Esto puede deberse a que no hay algn aditivo densificante o de control de pH presente en el FP que altere estas propiedades. Adems, las nanopartculas fueron adicionadas en el FP a bajas concentraciones, lo que contribuy a que se presentara una alta dispersin en el fluido y se evit la agregacin de las nanopartculas. De esta manera, la densidad y el pH no presentaron cambios significativos.

3.4. Prueba de filtrado API

Los resultados de la prueba de filtracin API muestran que las nanopartculas pueden ser utilizadas como agentes controladores de filtrado en los WBM. En todos los casos se presenta reduccin de prdidas de filtrado y de espesor de la retorta.

Tabla 2. Reduccin en prdidas de filtrado y espesor de retorta segn el material.

Material Concentracin Material (%) Reduccin

prdidas por filtrado (%)

Reduccin espesor retorta (%)

Viscosidad del fluido (cp)0.1

Si Slice

0.05 18.25 60.00 7.0 0.10 14.29 50.00 7.0 0.20 12.50 50.00 7.0 0.25 10.00 50.00 7.0

1.00 11.63 40.00 7.0

Si 50 wt% en agua

Slice disuelta al 50 wt% en agua 0.05 6.66 34.30 7.0


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Continuacin Tabla 2. Reduccin en prdidas de filtrado y espesor de retorta segn el material.

Material Concentracin Material (%) Reduccin

prdidas por filtrado (%)

Reduccin espesor retorta

(%) Viscosidad del fluido (cp)0.1

Si/10CMC Slice impregnada con

CMC a diferentes porcentajes

0.05 23.08 70.00 5.2

0.1 23.08 70.00 5.2

0.2 10.26 50.00 4.8

Si/20CMC 0.05 25,13 55.26 5.2

Si/30CMC 0.05 25,13 55.26 4.7

Si/10VR Slice impregnada con VR

al 10% 0.05 20.00 57.14 7.0

Si/10asf Slice impregnada con asfaltenos a diferentes

porcentajes

0.05 13.52 39.53 7.0

Si/20asf 0.05 10.81 41.86 7.0

Si/30asf 0.05 10.81 37.20 7.0

Al Almina 0.10 33.33 46.34 7.0

Al/5Ni Almina impregnada con nquel a diferentes

porcentajes 0.10 32.26 56.09 7.0

Al/15Ni 0.10 0 21.95 7.0

Al/10CMC Almina impregnada con

CMC al 10%

0.05 15.38 50.00 6.3

Al/10CMC 0.10 10.26 10.00 6.6

Al/10CMC 0.20 8.00 10.00 6.6

Segn la discusin que a continuacin se plantea, las nanopartculas de almina, por si solas, presentan la mayor reduccin en el volumen de filtrado del fluido de perforacin, pero no sucede lo mismo con el espesor de la retorta. Cuyo valor es ms discutible, dada su magnitud y dificultad de cuantificacin. Tambin hay que considerar con respecto a este resultado, que ni la adicin o modificacin posterior sobre las nanopartculas de almina ofrecen mejores resultados con respecto al volumen de filtrado.

Evaluacin de las nanopartculas de almina y sus modificaciones

Las nanopartculas de almina presentan una mayor reduccin en las prdidas de filtrado que las nanopartculas de slice con un valor de 33.33% y una reduccin promedio del espesor de la retorta de 46.34%. Estas nanopartculas presentan un desempeo muy bajo cuando se encuentran impregnadas con algn material como CMC o nquel. Esto se debe a que en el proceso de impregnacin, las nanopartculas de almina no adsorben de manera eficiente la solucin acuosa de CMC debido a su naturaleza

hidrofbica, por esto la retorta obtenida no es tan delgada en comparacin con otros materiales. Lo mismo sucede con las nanopartculas de almina impregnadas con nquel que tambin son hidrofbicas.

Evaluacin nanopartculas de slice y sus modificaciones

En la Tabla 2, se muestra que las nanopartculas de Si presentan una mayor reduccin en prdidas de filtrado y espesor de retorta, cuando se encuentran impregnadas de CMC con una concentracin de Si de 0.05%, y una mayor reduccin de ambos parmetros cuando la concentracin de CMC en la impregnacin es del 10% (Si/10CMC). Los valores de reduccin en este caso para las prdidas de filtrado y espesor de retorta son respectivamente, 23.08% y 70.00%. Esta diferencia se debe a que las nanopartculas de slice, disminuyen su capacidad adsortiva a concentraciones de 20 y 30% de CMC. Se observa que a estas concentraciones de CMC disminuye la capacidad de flujo de la retorta, y por consiguiente, se presenta un mayor espesor de sta en comparacin con menores concentraciones de CMC (Si/10%CMC).


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La reduccin en las prdidas de filtrado y espesor de la retorta con el uso de nanopartculas de Si/CMC, se debe a la naturaleza adsortiva de la slice que permite la formacin continua de un retorta delgada e impermeable que a su vez impide el paso del filtrado hacia la formacin; al CMC y la bentonita usadas en control de filtrado por sus propiedades viscosificantes y por el carcter hidroflico de las nanopartculas de slice debido a que facilita la adsorcin de la solucin acuosa de CMC. Los sistemas Si/VR y Si/asf aunque no presentan mejores resultados que el sistema Si/10CMC al 0.05% de Si, podran convertirse en una buena alternativa desde el punto de vista econmico, puesto que son materiales que en el caso de los asfaltenos son desechados por considerarse uno de los principales agentes causantes de dao de formacin y de incremento en la viscosidad. Cabe resaltar que ambos materiales son hidrofbicos, razn por la cual podran presentar mejores resultados en fluidos de perforacin base aceite (OBM, por sus siglas en ingls). Sin embargo, a pesar de este carcter hidrofbico, presentaron buenos resultados

en la reduccin de prdidas por filtrado y espesor de la retorta para los WBM.

Soporte hidroflico vs. Soporte hidrofbico

En la Figura 2, se observan los valores en la reduccin de prdidas de filtrado para las nanopartculas de slice que tienen un comportamiento hidroflico y las nanopartculas de almina con comportamiento hidrofbico. Ambos soportes a concentraciones de 0.05, 0.1 y 0.2% y funcionalizados con la concentracin ptima de CMC (10%). Se observa que la reduccin en las prdidas de filtrado para todas las concentraciones de Si/10CMC es notablemente mayor que para Al/10CMC. En ambos casos, la reduccin de filtrado es mucho mayor a una concentracin de 0.05% con respecto al volumen del fluido de perforacin, mientras que a concentraciones mayores es evidente que la reduccin en filtrado tiende a disminuir.

Figura 2. Reduccin de filtrado para soporte hidroflico (Si/10CMC) e hidrofbico (Al/10CMC).

Estos resultados entre el CMC y las nanopartculas de slice puede deberse a que existe una mayor compatibilidad entre ambos, ya que tanto el CMC como la slice tienen una naturaleza hidroflica. Adicional a esto, esta compatibilidad entre el CMC (teniendo en cuenta que es un polmero) y la slice facilita la encapsulacin de los slidos mediante la formacin de una pelcula delgada que reduce la permeabilidad de la retorta. La formacin de esta pelcula no es tan evidente en los sistemas con almina y CMC, debido a la hidrofibicidad de la almina. Adems, segn el manual de fluidos de perforacin de Baker Hughes (2006), para varias formulaciones de FP el

rango de dosificacin de CMC en el fluido vara entre 0.25 y 1.5 lbm/bbl. En esta investigacin, la mxima cantidad de CMC impregnada en los nanomateriales fue de 0.053 lbm/bbl. Se puede observar que a pesar de que la cantidad de CMC es mnima cuando se usa como material funcionalizante en la slice, logra resultados ptimos en trminos de prdida de filtrado y espesor de la retorta. Es decir, se logra un efecto sinrgico entre el CMC y la slice que logra disminuir en mayor medida las propiedades mencionadas.


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Figura 3. Reduccin de espesor de la retorta para soporte hidroflico (Si/10CMC) e hidrofbico (Al/10CMC).

Los resultados observados en la Figura 3, son coherentes con los obtenidos en la Figura 2. En este caso, se muestran los valores en la reduccin del espesor de la retorta para la Si/10CMC hidroflica y Al/10CMC hidrofbica. La reduccin en el espesor de la retorta para la Si/10CMC es mayor que para la Al/10CMC. Esto se debe igualmente a la naturaleza hidroflica de la slice. Se observa adems, que a la ms baja concentracin, la reduccin del espesor de la retorta es mucho mayor, lo que se traduce en menos costos a la hora de aplicar este estudio en campo. Estos resultados concuerdan con los resultados obtenidos por Saboori et al. (2012), que investigaron el efecto del CMC en la prdida de circulacin y en el grosor de la retorta, y concluye con la disminucin de prdida de filtrado en un 12%. El procedimiento experimental en este caso fue la prueba de filtrado API. Por otro lado, otros autores destacan resultados satisfactorios al usar nanopartculas de slice de tamao entre 20-130 nm como Javeri et al. (2011), que muestran una reduccin del grosor de la retorta del 34%. Este estudio indica que las nanopartculas de slice permiten la formacin continua de la retorta, lo que ocasiona la reduccin de su espesor. Sensoy et al. (2009) tambin basaron su investigacin en las nanopartculas de slice con tamao de 20 nm y concluyeron con una disminucin de prdida de circulacin de un 17-27%. Estos resultados coinciden con el tamao de nanopartcula de slice de 10-20 nm usado para las mltiples pruebas de filtrado y con las prdidas de filtrado obtenidas en el caso de las nanopartculas de slice, que impregnadas con CMC presenta resultados ms favorables. Cabe resaltar que no se reportan resultados en la literatura en el que se usen nanopartculas de almina para mitigar problemas de los fluidos de perforacin. Sin embargo, dichas nanopartculas presentan resultados convincentes por presentar una reduccin significativa en las prdidas de filtrado.

4. CONCLUSIONES

El uso de la nanotecnologa representa una nueva alternativa

para mitigar los problemas asociados a los fluidos de perforacin y a las operaciones de perforacin, entre ellos la prdida de circulacin de fluido a la formacin y el grosor de la retorta que inciden directamente en la estabilidad del pozo. Por ello, se sintetizaron y funcionalizaron diversas nanopartculas de diferente tamao y naturaleza. Una de estas alternativas es la slice impregnada con CMC, que disminuye significativamente estos problemas. Las nanopartculas hidrofbicas muestran una disminucin considerable en las prdidas de filtrado y el grosor del retorta como las nanopartculas de almina. Sin embargo, las nanopartculas hidroflicas, como las nanopartculas de slice, muestran un mejor desempeo al disminuir en un mayor porcentaje los dos parmetros evaluados en la prueba de filtrado. Las nanopartculas de slice impregnadas con CMC que disminuyen en mayor medida las prdidas de filtrado y el espesor de retorta tienen un tamao de 10-20 nm con una concentracin de slice de 0.05% impregnadas por el mtodo de impregnacin incipiente con CMC al 10%. La reduccin en las prdidas de filtrado es de 23.08% y del espesor de la retorta es de 70.00%. Las nanopartculas de almina pese a tener un comportamiento hidrofbico presentaron la mayor reduccin de prdidas de filtrado con un valor de 33.33%, razn por la cual podran ser evaluados en OBM y en futuras investigaciones.

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43179-212157-2-PB