Fluidos de perforación: el fluido de perforación fue incluido por primera vez en el

años de 1913 para el control de la presión del subsuelo. Las década de 1920 y 1930

fueron testigos del surgimiento de las primeras compañías estadounidenses

especializadas en la distribución, desarrollo e ingeniería de los fluidos y componentes de

perforación. En las décadas siguientes, las compañías de fluidos de perforación

introdujeron desarrollos en materia de química, mediciones e ingeniería de procesos que

produjeron mejoras significativas en la eficiencia de la perforación y la productividad de

los pozos.

El fluido de perforación es un líquido o gas que circula a través de la sarta de

perforación hasta la barrena y regresa a la superficie por el espacio anular. Hasta la fecha

un pozo de gas o aceite no se puede perforar sin este concepto básico de fluido

circulante. Este fluido es una parte clave del proceso de perforación, y el éxito de un

programa de circulación depende de su diseño.

Funciones de los fluidos de perforación: las funciones del fluido son varias y

todas muy importantes. Cada una de ellas por sí y en combinación es necesaria para

lograr el avance eficiente de la barrena y la buena condición del hoyo. Estas funciones

son:

• Enfriar y lubricar la barrena, acciones cuyos efectos tienden a prolongar la

durabilidad de todos los elementos de la barrena. A medida que se profundiza el hoyo, la

temperatura aumenta. Generalmente, el gradiente de temperatura puede ser de 1 a 1,3 °C

por cada 55 metros de profundidad. Además, la rotación de la barrena en el fondo del

hoyo genera calor por fricción, lo que hace que la temperatura a que está expuesta sea

mayor. Por tanto, la circulación del fluido tiende a refrescarla. El fluido, debido a sus

componentes, actúa como un lubricante, lo cual ayuda a mantener la rotación de los

elementos cortantes de la barrena. Los chorros de fluido que salen a alta velocidad por las

boquillas de la barrena limpian los elementos cortantes, asegurando así su más eficaz

funcionamiento.

• Arrastrar hacia la superficie la roca desmenuzada (ripio) por la barrena. Para

lograr que el arrastre sea eficaz y continuo, el fluido tiene que ser bombeado a la presión

y volumen adecuado, de manera que el fondo del hoyo se mantenga limpio y la barrena

avance eficazmente. La velocidad del fluido por el espacio anular y sus características

tixotrópicas son muy importantes para lograr la limpieza del hoyo. Al cesar la circulación

del fluido, el ripio no debe irse al fondo del hoyo, ya que tal situación presenta el riesgo de

que la barrena, los lastrabarrena o la tubería de perforación sean aprisionados y con tan

mala suerte de no poder rescatar las piezas y perder buena parte del hoyo. De allí la

importancia de las buenas cualidades tixotrópicas del fluido, gelatinización inicial y final de

10 minutos por las cuales se aprecia su fluidez y espesura en reposo, que le imparte la

propiedad de mantener el ripio en suspensión.

• Depositar sobre la pared del hoyo un revoque delgado y flexible y lo más

impermeable posible que impida la filtración excesiva de la parte líquida del fluido hacia

las formaciones. El espesor del revoque, expresado en milímetros, está en función de los

constituyentes y otras cualidades del fluido. Por ejemplo, la cantidad de sólidos en el

fluido afecta la calidad del revoque, ya que lo hace menos impermeable. De igual manera,

la excesiva filtración hacia la formación en el caso de una lutita muy bentonítica e

hidrofílica causa que la formación se hinche y, por ende, se reduzca el diámetro del hoyo.

Tal reducción puede ocasionar contratiempos a la sarta de perforación. En casos

extremos, la hinchazón puede degenerar en la inestabilidad de la pared del hoyo y hasta

desprendimientos.

• Controlar por medio del peso del fluido la presión de las formaciones que corta la

barrena. Generalmente la presencia de gas, petróleo y/o agua en una formación significa

que pueden estar a baja, mediana, alta o muy alta presión. A medida que el hoyo se

profundiza se espera mayor presión. Sin embargo, la experiencia y las correlaciones

regionales de presiones sirven para dilucidar las posibles situaciones que puedan

presentarse. La presión que puede ejercer una columna de fluido de perforación, en el

caso de que fuese agua fresca, es de 0,1 kg/cm2/metro de altura o de profundidad. Pero

como generalmente el gradiente de presión (kg/cm2/metro de profundidad) que se da en

las formaciones es mayor que el gradiente normal de presión de agua, entonces el fluido

debe tener más peso que el agua, o sea mayor gravedad específica, de acuerdo con la

presión que en favor de la columna se desee para tener la presión de la formación

siempre bajo control durante la perforación o cuando la sarta esté fuera del hoyo.

Propiedades de los fluidos de perforación:

Densidad: es la propiedad del fluido que tiene por funcional principal

mantener en sitio los fluidos de la formación. Es uno de los dos factores de

los cuales depende de la presión hidrostática ejercida por la columna de

fluido.

Viscosidad API (de embudo): se le conoce cierta importancia practica

aunque carece de base científica, y el único beneficio que aparentemente

tiene, es el de suspender el ripio de formación en el espacio anular, cuando

el flujo es laminar. Esta viscosidad es medida por el embudo Marsh y

determina la viscosidad del fluido en segundos por cuarto de galón, esta

medición consiste en comparar la fluidez de un líquido con la del agua.

Viscosidad plástica: es la que resulta de la fricción mecánica entre: solidos,

solidos y líquidos y líquidos y solidos. Esta viscosidad depende de la

concentración, tamaño y forma de los solidos presentes en el fluido, y se

controla con equipos mecánicos de control de solidos.

Punto cedente: es una medida de la fuerza de atracción entre las

partículas, bajo condiciones dinámicas o de flujo. Es la fuerza que ayuda a

mantener el fluido una vez que entra en movimiento. Este esta relacionado

con la capacidad de limpieza del fluido en condiciones dinámicas, y

generalmente sufre incremento por la acción de los contaminantes solubles

como el carbonato, calcio, y por los solidos reactivos de formación.

Resistencia de gel: es una medida de atracción física y electroquímica bajo

condiciones estáticas. Esta relacionada con la capacidad de suspensión del

fluido y se controla, en la misma forma, como se controla el punto cedente,

puesto que la origina el mismo tipo de solido.

Filtrado: indica la cantidad relativa de liquido que se filtra a través del

revoque hacia las formaciones permeables, cuando el fluido es sometido a

una presión diferencial. Esta característica es afectada por los siguientes

factores: presión- dispersión- temperatura- tiempo.

pH: indica si el lodo es básico o acido. La mayoría de los fluidos base

acuosa son alcalinos y trabajan con un rango de pH entre 7.5 a 11.5.

cuando el pH varia de 7.5 a 9.5, el fluido es de bajo pH y cuando varia de

9.5 a 11.5, es de alto pH.

Clasificación de los fluidos de perforación:

• Fluido de perforación a base de agua El agua es uno de los mejores líquidos

básicos para perforar, por su abundancia y bajo costo. Sin embargo, el agua debe ser de

buena calidad ya que las sales disueltas que pueda tener, como calcio, magnesio,

cloruros, tienden a disminuir las buenas propiedades requeridas. Por esto es aconsejable

disponer de análisis químicos de las aguas que se escojan para preparar el fluido de

perforación. El fluido de perforación más común está compuesto de agua y sustancia

coloidal. Durante la perforación puede darse la oportunidad de que el contenido coloidal

de ciertos estratos sirva para hacer el fluido pero hay estratos tan carentes de material

coloidal que su contribución es nula. Por tanto es preferible utilizar bentonita preparada

con fines comerciales como la mejor fuente del componente coloidal del fluido. La

bentonita es un material de origen volcánico, compuesto de sílice y alúmina pulverizada y

debidamente acondicionada, se hincha al mojarse y su volumen se multiplica. El fluido

bentonítico resultante es muy favorable para la formación del revoque sobre la pared del

hoyo. Sin embargo, a este tipo de fluido hay que agregarle un material pesado, como la

baritina (preparada del sulfato de bario), para que la presión que ejerza contra los estratos

domine las presiones subterráneas que se estiman encontrar durante la perforación. Para

mantener las deseadas características de este tipo de fluido como son: viscosidad,

gelatinización inicial y final, pérdida por filtración, pH y contenido de sólidos, se recurre a

la utilización de sustancias químicas como quebracho, soda cáustica, silicatos y

arseniatos.

• Fluido de perforación a base de petróleo Para ciertos casos de perforación,

terminación o reacondicionamiento de pozos se emplean fluidos a base de petróleo o de

derivados del petróleo. En ocasiones se ha usado crudo liviano, pero la gran mayoría de

las veces se emplea diesel u otro tipo de destilado pesado al cual hay que agregarle

negrohumo o asfalto para impartirle consistencia y poder mantener en suspensión el

material pesante y controlar otras características. Generalmente, este tipo de fluido

contiene un pequeño porcentaje de agua que forma parte de la emulsión, que se

mantiene con la adición de soda cáustica, cal cáustica u otro ácido orgánico. La

composición del fluido puede controlarse para mantener sus características, así sea

básicamente petróleo o emulsión, petróleo/agua o agua/petróleo. Estos tipos de fluidos

requieren un manejo cuidadoso, tanto por el costo, el aseo del taladro, el mantenimiento

de sus propiedades físicas y el peligro de incendio.

• Otros tipos de fluidos de perforación Para la base acuosa del fluido, además de

agua fresca, puede usarse agua salobre o agua salada (salmuera) o un tratamiento de

sulfato de calcio. Muchas veces se requiere un fluido de pH muy alto, o sea muy alcalino,

como es el caso del hecho a base de almidón. En general, la composición y la

preparación del fluido son determinadas según la experiencia y resultados obtenidos en el

área. Para satisfacer las más simples o complicadas situaciones hay una extensa gama

de materiales y aditivos que se emplean como anticorrosivos, reductores o

incrementadores de la viscosidad, disminuidores de la filtración, controladores del pH,

lubricadores, antifermentantes, floculantes, arrestadores de la pérdida de circulación,

surfactantes, controladores de lutitas deleznables o emulsificadores y desmulsificadores,

etc. Actualmente existen alrededor del mundo más de 120 firmas que directa o

indirectamente ofrecen la tecnología y los servicios que pide la industria petrolera sobre

diagnósticos, preparación, utilización y mantenimiento de todo tipo de fluido de

perforación para cada clase de formaciones y circunstancias operacionales, como

también fluidos específicos para la terminación, la rehabilitación o limpieza de pozos. El

progreso y las aplicaciones en esta rama de ingeniería de petróleos es hoy tan importante

que se ha transformado en una especialidad operacional y profesional.

Componentes de los fluidos de perforación:

Fase liquida: es la fase continua o elemento que mantendrá la suspensión

los diferentes aditivos o componentes de las otras fases. Generalmente

agua dulce, salada y aceites.

Fase solida reactiva: constituida por la arcilla, elemento que le dará cuerpo

y gelatinosidad al fluido en agua dulce es la bentonita y su principal mineral

es la montmorillonita. En agua salada atapulguita.

Fase solida inerte: es el elemento mas pesado en el fluido. Se usa para

aumentar la densidad del mismo, comúnmente, barita. También están la

hematita, galena. Existen otros solidos inertes no deseables, los cuales son

productos de la perforación como lo son arena, caliza y dolomita.

Fase química: grupo de aditivos que se encargan de mantener el fluido

dentro de parámetros deseados. Dentro de ellos se encuentran

dispersantes, emulsificantes, reductores de viscosidad, controladores de

filtrado, neutralizadores de pH, etc.

Sistema de circulación: el sistema de circulación del fluido de perforación es

parte esencial del taladro. Sus dos componentes principales son: el equipo que

forma el circuito de circulación y el fluido propiamente.

Bombas de lodos: estas bombas son el corazón del sistema de circulación. Su

función principal es el de mover grandes volúmenes de lodo a bajas y altas

presiones. Las más comunes son:

Bombas dúplex: son bombas que llevan dos cilindros, y son de doble acción, es

decir desplazan lodo en dos sentidos en la carrera de ida y vuelta. Este tipo de

bomba queda definido por: diámetro del vástago del pistón, diámetro de la camisa

y la longitud de la camisa.

Bombas tríplex: son bombas que llevan tres cilindros, y son de simple acción, es

decir desplazan el lodo en un solo sentido. Este tipo de bomba queda definido por

diámetro de la camisa y longitud de la camisa.

Tubería vertical (stand pepi):

Manguera rotatoria (Kelly): es una manguera de goma reforzada, flexible y

extremadamente fuerte. La característica de flexibilidad permite bajar y elevar la

tubería de perforación durante las operaciones de perforación mientras el lodo

(extremadamente abrasivo) se está bombeado a través y hacia debajo de la

tubería. Son por lo general de 7.62 mm o más de diámetro interior para que no se

tengan en ellas caída de presión apreciable y están disponibles en largos mayores

a 75 pies.

Unión giratoria: Swivel: Dispositivo mecánico de circulacion del equipo de

perforacion que realiza la circulacion del lodo que conecta la manguera con la

tuberia, esta se utiliza en una plataforma de perforación que cuelga directamente

debajo de la.polea y encima del kelly. Le proporciona al kelly la capacidad para

girar al mismo tiempo que la polea viajera, a permanecer fija y a rotar.

Este instrumento esta diseñado para soportar amplio rango de temperatura y

presion para una variedad de condiciones ambientales.

Pueden integrar varios puertos y manejar los distintos tipos de medios de

comunicación al mismo tiempo.

Esta conformado por un bail gooseneck, rotary house, washpipe packing, thrust

bearings radial.

Los materiales mas comunes para su elaboracion son: acero, acero carbonatado,

acero inoxidable, laton, aleaciones de acero y titanio.

Se caracteriza por tener enchapados de oxido negro y standard teflon de niquel,

revestido en ceramica.

Sarta de perforación:

Barrena:

Espacios anulares: El espacio anular o anillo anular es la diferencia de diámetro

que existe entre la broca y la barra. La gran importancia del espacio anular es que

es el lugar por donde es evacuado el detritus, además es uno de los factores que

influyen directamente en la velocidad en que se evacuará el detritus desde el

fondo del pozo.

El espacio existente entre dos objetos concéntricos, tal como el espacio entre el

pozo y la tubería de revestimiento o entre la tubería de revestimiento y la tubería

de producción, donde puede fluir el fluido. La tubería puede incluir los portamechas

o lastrabarrenas, la columna de perforación, la tubería de revestimiento o la tubería

de producción.

Equipo de control de solidos:

Zaranda: tiene como función primaria separar la fracción más gruesa de

los recortes, partículas entre 74 (mesh 200 x 200) y 600 micrones (mesh 30

x 30). Se compone de una o varias mallas separadas que están montadas

en un caja vibratoria conectada a un motor eléctrico, el cual a través de

poleas o ejes, le imprime la vibración necesaria para separar los sólidos del

fluido.

Desgasificador: son las primeras unidades del equipo de control de

sólidos, es una unidad que separa y ventea o quema el gas del lodo que

sale del pozo y que puede haber sido contaminada durante la perforación.

Los separadores de gas/lodo no tiene partes móviles y el proceso de

separación se lleva a cabo por diferencia de densidades entre los

componentes a separar.

Desarenador: Este equipo consta de dos conos (hidrociclones) de 10"

capaz de procesar 500 gpm con un punto de corte entre 60-40 micrones.

Para su máxima eficiencia debemos mantener una presión no menor de 75

pies de carga o cuatro veces el peso del lodo

Deslimador:

Tanques de lodos: Están conjugados con el equipo de control de sólidos ya que

en ellos se prepara o acondiciona el lodo proveniente del pozo para ser

nuevamente succionado por las bombas y expulsado por la misma al sistema de

circulación.

• Tanques Auxiliares

Son tanques complementarios y pueden subdividirse en: tanque de mezcla,

depósitos de agua y tanques de reservas.

Tanque de Mezcla

En este tanque se pueden preparar fluidos con características definidas ya que

cuentan con equipos de mezclas independientes del sistema de los tanques

activos como por ejemplo agitadores, los cuales se encargan de batir el lodo.

• Tanque de Reserva

Se usa para mantener cualquier fluido ya preparado y listo para ser usado. En

pozos exploratorios, se mantiene en reserva un lodo con densidad de 0.5 lbs/gal

mayor que la densidad del lodo en uso.

• Tanques de Asentamiento o sedimentación

También se le conoce como trampa de arena. Es el tanque donde se recibe el

retorno del pozo. Aquí se instalan los equipos separadores de sólidos primarios

(zarandas), para descartar los cortes de tamaño mayor a 74 μ (micrones). La

arena se asienta en el mismo por gravedad.

• Tanques Intermedios

Es el tanque donde se instala el resto de los equipos separadores de sólidos

(desarenadores, eslimadores y centrifugas), elimina partículas y sólidos

indeseables y siempre contendrá partículas finas de la formación que no se

pueden eliminar por su tamaño entre 4 y 74 μ.

• Tanques de Succión

Es el tanque desde donde el fluido, casi libre de sólidos, es succionado por las

bombas de lodos. En el que se instalan los equipos de mezcla.

Bombas centrifugas:

¿Qué es el mudlogging?: es uno de los primeros métodos de evaluación

disponible durante la perforación de un pozo exploratorio. Mientras las operaciones

de perforación toman lugar, el fluido continuamente circula hacia abajo desde la

tubería de perforación, a través del fondo de la mecha y retorna por el espacio

anular. Durante esta operación el lodo de perforación trae fragmentos de roca a la

superficie. Esto consiste en el monitoreo continuo hecho durante la perforación de

un pozo que incluye las mediciones relacionadas con las operaciones de

perforación en si y las relaciones de evaluación de formaciones.

¿Para que se contrata este servicio?: las razones principales por las que las

compañías petroleras se gastan una buena cantidad de sus beneficios en incluir

este servicio dentro de las operaciones de perforación son que además de

incrementar la seguridad durante las mismas, mejora la eficiencia y permite una

evaluación fiable de las formaciones perforadas permitiendo a su vez una

adquisición continua de datos en tiempo real.

¿Qué determina el mudlogging?:

Descripción y análisis de ripio: se efectúa una inspección visual que

normalmente determinan:

- Litología.

- Color.

- Textura, tamaño de los granos, etc.

- Fósiles.

- Porosidad aproximada.

- Presencia de hidrocarburos (fluorescencia bajo los rayos

ultravioletas).

En forma casi inmediata le proporciona al operador información sobre:

- La geometría del pozo.

- Las características de las formaciones penetradas.