Optimización de Fluidos de Perforación: Densificantes, Viscosificantes y Control de Filtrado

Prehidratación de Bentonita

1. Eliminar la dureza del agua.
2. Agregar soda cáustica hasta lograr un pH alrededor de 9.
3. Agregar bentonita lentamente.

Nota: Si se procede al contrario (primero la bentonita y luego la soda cáustica), se produce una floculación instantánea. Este procedimiento solo es recomendable cuando se desean preparar píldoras viscosas.

Tratamiento del Fluido

El tratamiento del fluido depende de las siguientes condiciones:

• Tiempo
• Tipo de Formación
• Tasa de Penetración (ROP)

Tratamiento Químico

Los materiales químicos se agrupan en diferentes categorías y se usan para:

• Densificar
• Viscosificar
• Controlar Filtrado o Pérdida de Agua
• Controlar Reología
• Controlar pH
• Controlar Pérdida de Circulación
• Lubricar
• Modificar la Tensión Interfacial
• Remover Sólidos
• Estabilizar Lutitas
• Evitar la Corrosión
• Controlar Bacterias y Hongos
• Precipitar Contaminantes

Densificantes

Son materiales no tóxicos ni peligrosos de manejar. Se utilizan para incrementar la densidad del fluido y, en consecuencia, controlar la presión de la formación y los derrumbes que ocurren en áreas tectónicamente activas. Algunos materiales minerales se usan con frecuencia como densificantes en los fluidos de perforación.

Existen materiales que se explotan como minerales y se utilizan:

• Barita (BaSO₄): Material inerte, clasificado como sedimento. Permite alcanzar densidades de 20 lb/gal. Tiene una gravedad específica de 4.2 y contiene menos de 250 ppm de calcio. Su gravedad específica se reduce con cuarzo, calcita, anhidrita, etc., y se aumenta con mineral de hierro. Es insoluble en agua y no reacciona con otros componentes de fluidos de perforación. Los carbonatos (ej. pirita) son contaminantes para la barita.

Nota: Para contrarrestar los efectos de los contaminantes, se mezcla la barita con pequeñas cantidades de fosfatos, como el TSPP (básico y tóxico, pH = 10) o el SAAP (ácido y no tóxico, pH = 4.8).

Productos

• Hierro: La orimatita es un mineral de hierro que puede remplazar a la barita como material de peso, permite perforar a una mayor tasa de perforación y representa un menor daño a la formación.
• Plomo: La galena es un sulfuro de plomo que se utiliza para preparar píldoras de alta densidad.

Materiales Viscosificantes

Se agregan a los fluidos para mejorar la habilidad de remover los sólidos perforados y suspender el material densificante. Entre los materiales más utilizados para viscosificar los fluidos se encuentran:

Carbonato de calcio (CaCO₃): Sólido inerte de baja gravedad específica, material densificante en zonas productoras. Soluble en HCl (ácido clorhídrico) al 15% y se dispersa más que la barita.

Minerales de hierro y plomo: Tienen una gravedad específica mayor a 4.2.

Materiales para Controlar el Filtrado

• Lignitos: Pueden ser sencillos o complejos. Los sencillos se usan en fluidos de bajo pH (7.5 – 9.5). Los lignitos son solubles a un pH entre 10.5 y 11, los lignosulfonatos. Los lignosulfonatos se disuelven más lentamente con un pH mayor. Los lignitos son menos solubles que los lignosulfonatos. Se pretrataban con cromo y se usan con los lignosulfonatos para completar su efectividad y compensar los efectos de altas temperaturas.
• Cromo: Permite extender el rango de temperatura de los adelgazantes químicos. El producto es compatible con los adelgazantes. Los lignitos muestran una mayor tolerancia a los influjos de agua salada, controlan mejor el fluido a alta temperatura que los lignosulfonatos, pero tienen menos efecto adelgazante.

Materiales para Controlar la Reología

La reología, relacionada con la capacidad de limpieza y suspensión de los fluidos de perforación, se incrementa con viscosificantes y disminuye con adelgazantes.

Aditivos

• Lignosulfonatos: Compuestos libres de cromo que ofrecen mayor estabilidad y temperatura. Trabajan bien en fluidos de base acuosa. Su función principal es actuar como adelgazantes químicos cuando hay exceso de sólidos reactivos en el fluido; su función secundaria es controlar el filtrado y estabilizar las condiciones de flujo a altas temperaturas.
• Lignitos
• Adelgazantes Poliméricos
• Lignosulfatos: Actúan como adelgazantes químicos cuando hay exceso de sólidos. Función secundaria: controlar el filtrado. Desfoculan los fluidos base agua para neutralizar las cargas de las arcillas.

Materiales para Controlar el pH

Se utilizan aditivos alcalinos.

Materiales Usados

• Soda Cáustica: Se utiliza para mantener el pH.
• Hidróxido de Potasio
• Cal

Materiales para Controlar Pérdidas de Circulación

• Fibra Celulósica: Controla pérdidas de circulación en formaciones no productoras.
• Grafito Siliconizado: Sella microfracturas.
• Carbonato de Calcio: Para densificar, controlar pérdidas de circulación y minimizar filtrado.

Lubricantes

• Aceites Minerales
• Surfactantes
• Grafito
• Gilsonita
• Bolillas de Vidrio

Agentes Floculantes

• Sales
• Cal Hidratada
• Polímeros
• Goma Guar
• Acrílicos
• Yeso

Materiales Estabilizantes de Lutitas

• Asfaltos
• Sales Orgánicas
• Cal/Yeso

Secuestradores de Oxígeno

• Sales de Sulfito
• Sales de Cromato

Materiales para Controlar Bacterias

• Sulfuros Orgánicos
• Aminas
• Aldehídos
• Clorofenoles

Bentonita

• pH: 8
• Una mezcla de agua con 20 lb/bbl da un peso de 8.6 lb/gal y una viscosidad de 36 seg/qt.
• Minimizar el embolamiento:
  • Bombeando píldoras de detergentes con gasoil o detergente con soda cáustica.
  • Agregando detergente.
  • Agregar cal diluida para convertir las arcillas sódicas a cálcicas, disminuyendo así su hidratación y dispersión.

La bentonita se usa como aditivo de lodos base agua dulce para:

• Formar revoque de calidad en formaciones permeables para reducir la pérdida de agua.
• Mejorar la capacidad de acarreo y suspensión del fluido.

Bentonita Cálcica o Sub-Bentonita

Puede ser tratada con soda cáustica para remover el exceso de calcio.

Atapulgita

Arcilla para agua salada. Se usa cuando el agua contiene una concentración de sal mayor de 35000 ppm.

Hectorita

Arcilla de agua dulce a base de silicato de magnesio.

Sepiolita

Arcilla de agua salada que resiste más temperatura que la atapulgita.

Arcilla Organofílica

• Desarrolla geles en sistemas base aceite.
• Requiere la ayuda de un activador polar.
• Precipita al contacto con el agua.

Ventajas de Utilizar Polímeros Líquidos

1. Se puede agregar por cualquier sitio donde exista agitación.
2. Se acorta el tiempo de estabilización del lodo por su estado de solubilidad.
3. Son más efectivos a corto plazo.
4. Hay menos pérdida por almacenamiento y manejo del producto.

Sistema Polimérico Viscoelástico

Son viscosos como un líquido y elásticos como un sólido. Dan altas viscosidades a bajas tasas de corte y desarrollan altos geles instantáneos, pero frágiles y de fácil ruptura. Baja resistencia al flujo con mínima presión de bomba. Perforan pozos direccionales y horizontales por su gran capacidad de acarreo y suspensión.

Fluidos Salinos: Formulación y Orden de Filtrado

• Salmuera (Fase continua)
• Almidón modificado (Controlador de filtrado)
• Goma xántica clarificada (Viscosificante)
• Solución Buffer (Agente alcalino)
• Surfactante (Lubricante)
• Sal seleccionada por tamaño (Puenteante) (30-60 lb/bbl)

Ventajas

• Reducen el lavado del hoyo.
• Previenen la dispersión de los sólidos perforados.
• Permiten obtener suficiente densidad con bajo contenido de sólidos.

Sal

Una sal es el resultado de la combinación de un ácido con una base. La sal puede ser ácida, neutra o básica, según las fuerzas relativas de iones.

• Ácidos fuertes: Ácido clorhídrico (HCl) y ácido sulfúrico (H₂SO₄).
• Ácidos débiles: Ácido carbónico y ácido nítrico.
• Bases fuertes: Soda cáustica, potasa cáustica.
• Bases débiles: Carbonato de sodio.

Cal

Usado en emulsiones inversas como fuente de calcio y alcalinidad. Se usan de 3 a 5 lb/bbl de cal en emulsiones inversas.

Humectante

Los humectantes son agentes tensoactivos que reducen la tensión interfacial y el ángulo de contacto de un líquido y un sólido, facilitando la extensión del líquido sobre la superficie del sólido. Se utilizan generalmente en concentraciones de 0.1 a 1.0 gal/bbl y no requieren cal para ser activados. En los lodos no acuosos, los sólidos siempre deben estar humectados al aceite y no al agua para evitar que se agreguen y precipiten.

Características Resultantes de los Surfactantes

Reducen la tensión interfacial cuando se concentran en las interfases de dos medios (líquido-gas, líquido-líquido, etc.). Se pueden usar como emulsificantes, espumantes, antiespumantes, lubricantes, humectantes, detergentes e inhibidores de corrosión.

Emulsificante

Es un surfactante, un compuesto tensoactivo que disminuye la tensión interfacial entre dos medios y cuyas moléculas poseen dos grupos: polar y no polar. En una emulsión inversa, debe haber suficiente emulsificante para estabilizar todas las gotas de agua y emulsificar cualquier cantidad adicional de agua.

Aditivos Usados para Preparar una Emulsión Inversa

• Aceite mineral
• Emulsificante
• Cal
• Humectante
• Agua
• Arcilla organofílica
• Activador polar
• Sal
• Material densificante

Aceite Mineral

Líquido no polar y no acuoso que no conduce la corriente eléctrica ni disuelve los compuestos iónicos como la sal.

Tipos de Emulsiones Inversas

• Convencional: Emulsión muy fuerte con alta estabilidad eléctrica. El filtrado API es cero.
• Filtrado Relajado: Usa un emulsificante que no requiere cal y, comparada con una convencional, es más débil y de menor estabilidad eléctrica.