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