Fluidos de Perforación y Control de Sólidos

 FORMULACION DE FLUIDOS DE PERFORACION EN CAMPO.

Los Fluidos de Perforación constituyen una parte vital e importante para ser empleado durante la construcción de un pozo. Sus funciones son tan básicas como fundamentales para llevar a buen término la perforación del hoyo que permitirá la explotación de un pozo de petróleo y/o gas.

Estos fluidos deben ser formulados de manera tal que puedan conservar su calidad y utilidad de la manera mas óptima posible, es por ello que su preparación se realiza en el campo y para un tiempo próximo a la fase en la cual ha de ser empleado, de manera tal que conserve sus propiedades lo más óptimo posible. Como condiciones generales, estos fluidos no tienen que ser tóxicos ni corrosivos, pero si mantenerse inerte ante la presencia de otras sustancias, como fluidos de la formación por ejemplo, y así como permanecer estable ante altas temperaturas.

Las operadoras contratan los servicios de empresas de Fluidos como BAROID, CNPC Fluidos y MiSWACO para que los mismos estén al frente de esta valiosa responsabilidad como lo es: FORMULAR EL LODO. Para ello los Ingenieros de Lodo, popularmente llamados “los Químicos”, reciben cargas en paletas de sacos que llegan a la locación, se rigen por un Programa de Fluidos desarrollado por los Ingenieros de Planificación y, mediante el apoyo de los arenilleros, preparan el Fluido a ser empleado en los tanques activos, de acuerdo a la fase.

Por lo general, cuando se emplea lodo base agua:

- HOYO DE SUPERFICIE: Aguagel.
- HOYO INTERMEDIO: Polimérico Inhibido.
- HOYO DE PRODUCCION: Viscoelástico.


REVISION DE TANQUES y CAPACIDADES.

La revisión constante de los volúmenes en cada uno de los tanques es responsabilidad vital de los Ingenieros de Lodos. Ya que con ello monitorean la funcionabilidad del circuito cerrado, identificando cualquier situación que conduzca a problemas con el fluido (pérdida de circulación, por ejemplo) y responder a tal situación de la manera correcta.

El ingeniero de Fluidos por lo general emplea una serie de fórmulas para estimar el comportamiento teórico de cada desplazamiento. Entre las fórmulas mas empleadas están:

TANQUES RECTANGULARES:

V = L (pies) x W (pies) x h (pies) / (5,61 bls/ft3)

Donde L es la longitud, w el ancho y h la altura del tanque. Todas estas medidas están en pies, y para transformar los pies cúbicos en barriles dividimos entre la constante 5,61.


REVISION DE PARAMETROS DE LODO.

Para monitorear el comportamiento del lodo siempre es bueno hacerle un seguimiento o revisión a sus parámetros de manera constante y continua, y así detectar si el lodo está cumpliendo con las propiedades del plan. Generalmente el Ingeniero de Lodos coordina tres pruebas diarias: 4:00 am , 12:00 pm y 8:00 pm.

En cada una de ellas se revisan una serie de propiedades de acuerdo al tipo de lodo que se está preparando y si es base Aceite o base Agua. En los lodos base agua los parámetros a revisar son la densidad o peso, la Viscosidad de Embudo, filtrado API, Propiedades Reológicas, pH, y los Porcentajes de Arena, Agua, Aceite y sólidos.

La densidad se determina a través de una Balanza de Lodo, que brinda lecturas en lbs/gal y en lbs/pie3. Llenando la tasa de la balanza con lodo y tapándola se expulsa el exceso de fluido mediante un orificio, que luego es tapado con el dedo. Se coloca la balanza sobre el soporte y se va arrimando el cursor hasta que la balanza se estabilice y el “ojo de pescado” o burbuja niveladora esté en el centro.

Para la Viscosidad se emplea un embudo de Marsh, en donde se agrega lodo y se calcula el tiempo en que se desplaza un cuarto de galón (946 cc.) . Por esta razón, este parámetro se mide en unidades de seg/qt. Es decir, segundos por cuarto de galón.


La reología se determina a través de un viscosímetro de lectura directa, en el cual se miden las lecturas de 600 RPM, 300 RPM, 6 RPM y 3 RPM. Con estos datos podemos encontrar las siguientes propiedades reológicas:

- Viscosidad Plástica, expresada en centipoise (cp): se obtiene de Lect 600 RPM – Lect, 300 RPM.
- Punto Cedente, expresado en libras por cada 100 pies cuadrados (lbs/100 ft2): se obtiene de Lectura de 300 RPM – Viscosidad Plástica.
- Fuerza de Gel: se corre a 3 RPM.
- Viscosidad Aparente, expresada en cp, que se obtiene de dividir la lectura de 600 RPM entre 2.

Las otras propiedades fisicoquimicas que se revisan son:

- Filtrado API, mediante un Filtro Prensa.
- pH: empleando un pHmetro digital, solución Buffer y agua ionizada.
- Porcentaje de arena.
- % de Sólidos y Líquidos: empleando el instrumento llamado retorta
- Dureza.
- Alcalinidad del Filtrado (Pf).
- Alcalinidad del Filtrado (Mf).
- Alcalinidad del Lodo (Pm).
- MBT (Prueba de azul de Metileno).


PREPARACION DE SISTEMAS DE INHIBICION DE ARCILLA .

Una vez terminada la fase del hoyo superficial en la que se emplea un Lodo Aguagel, se procede a preparar un lodo de tipo Polimérico Inhibido, debido a la próxima presencia de una zona lutítica como lo es la Formación Freites. El lodo Polimérico Inhibido es útil para evitar el control de pérdidas de filtrado, tiene una buena estabilidad térmica y resistencia ante contaminantes. Además de proteger las zonas productoras y lubricar la sarta y prevenir pegas y corrosión.

El lodo Polimérico Inhibido empleado en la perforación en Campo Uracoa tiene que ir aumentando su densidad a medida que se va perforando la formación Mesa – Las Piedras, de manera que una vez llegando a la Formación Freites se cuente con una densidad de 9,2 libras por galón. Tambien ha de cumplir con los siguientes parámetros:

- Viscosidad de Embudo: 40 – 45 seg./qt.
- Viscosidad Plástica: 13 centipoise.
- Punto Cedente: 17 lb/100 ft2.
- MBT: 12 – 17
- pH : alrededor de 10.

Para su preparación se emplean productos tales como:

- Biopolímero de Goma Xántica.
- Celulosa Polianiónica.
- Carbonato de Calcio.
- Lignosulfonato Libre de Cromo.
- Soda Cáustica.
- Complejo de Aminas o NH4-PAM



PREPARACION DE PILDORAS.

Las Píldoras constituyen fluidos elementales que se bombean para garantizar la limpieza del hoyo durante y después de terminada una fase de perforación. Generalmente durante la perforación se bombean por cada 300 pies perforados un tren o secuencia compuesto por 30 Bls de píldora dispersa seguida de 30 bls de píldora de barrido.

La píldora dispersa, como su nombre lo indica, tiene como función principal dispersar los componentes de los fluidos en el hoyo. La Píldora de barrido genera turbulencia en estos y permite que los mismos sean desplazados hasta superficie para luego pasar por los ECS.

Por lo general la dosificación de estas píldoras tienen que tener una densidad de casi 2 lb/gal adicional a las del fluido para que este peso pueda acarrear el lodo y las partículas sólidas remanentes en el hoyo. Otro método de limpieza es la circulación hasta obtener retornos limpios mediante los fondos arriba, que implican un viaje de circulación que llegue hasta el fondo y regrese hasta superficie.


CALCULOS DE PRESION DE BOMBAS, CAMISAS, DIAMETROS DE HOYOS.

Es muy importante para los Ingenieros de Lodo conocer y manejar los cálculos que permitan conocer las presiones de las bombas y del diámetro del hoyo perforado para tener un estimado del galonaje y el volumen que se requiera preparar de lodo. Entre las fórmulas empleadas para estos cálculos, están:

VOLUMEN EN HOYO ABIERTO

V= ID¨2/1029,4

Donde ID es el diámetro Interno del hoyo y 1029,4 es una constante que permite convertir las pulgadas cuadradas (in2) x pie a Barriles.

VOLUMEN EN REVESTIDOR SIN TUBERIA

V= (ID¨2 x L)/1029,4
En donde L es la longitud del revestidor.

VOLUMEN EN EL ESPACIO ANULAR.

V= (OD¨2 -ID¨2) x L/1029,4
Donde OD es el Diámetro externo del hoyo, también expresado en pulgadas.


DESPLAZAMIENTO DE BOMBAS

DUPLEX:

Fpd = 0.0068*(2dt2 – dr2)*(Ls)*Ev

TRIPLEX:

Fpt = 0.000243*(D2 )*(Ls)*Ev

En donde:
Fpd= Desplazamiento volumétrico de la bomba duplex (gal/emb)
Fpt = Desplazamiento volumétrico de la bomba triplex (gal/emb)
dt = Diámetro del pistón (pg)
dr = Diámetro del vástago (pg)
Ls = Longitud de la camisa (pg)
Ev = Eficiencia volumétrica (adimensional)


FORMULACION DE FLUIDOS VISCOELASTICOS EN CAMPO.

Para la fase del Hoyo de Producción se recomienda el empleo de lodo Viscoelástico, debido a que es el idóneo para la lubricación de la sarta y crear revoque en la formación Oficina, en donde están presentes las arenas productoras, y ello debido a que en esta fase el pozo presenta un alto grado de inclinación de tipo horizontal. Los fluidos viscoelásticos son de tipo pseudoplásticos, siendo viscosos como un líquido y elásticos como un sólido, que permite lograr suspensión en el hoyo.

Los aditivos que se emplean para su preparación son por lo general:

- Salmuera.
- Viscosificador no Iónico (polímeros), con concentraciones de 1 a 2 lb/bbl.
- Antiespumante.
- Reductores de Filtrado.
- Aditivos para pH, como soda cáustica.
- Agente Densificante: como por ejemplo el Carbonato de Calcio TT 200.

Las propiedades reológicas de este tipo de lodo son, aproximadamente, las siguientes:

- RPM : 600 (17) , 300 (13), 6 (5), 3 (4).
- Viscosidad Plástica: 12 cps.
- Densidad: 8.70 libras por galón.
- Viscosidad de Embudo : 45 seg /cuarto de galón.
- Punto Cedente: 20 lb/100 ft2 .
- MBT: 10
- pH: 12.
- % Sólidos: 4

CALCULO DE HIDRAULICAS.

Una vez que se han determinado las propiedades reológicas del lodo y estimado su
comportamiento, se hacen cálculos de hidráulica para determinar el efecto que tendrá
el lodo en un sistema de presiones. De esta manera se balancea el control del pozo, la
limpieza del hoyo, la presión de la bomba, el ECD (Densidad Equivalente de Circulación) y las pérdidas de presión debidas a la mecha.

De esta forma, los ingenieros de Lodos hacen cálculos de Hidráulica para determinar la velocidad de flujo en la tubería y en el espacio anular del hoyo. Ello se obtiene mediante el empleo de las siguientes ecuaciones:

Velocidad promedio en Tubería.
Vp= 24,48 x Q / D2

Donde:
Vp = es la velocidad en Tubería expresa en Pies por Minuto.
Q = es el caudal, expresado en Galones por minuto (gpm).
D = es el diámetro de la tubería expresado en pulgadas.
24,48 = es una constante que nos permite convertir las unidades involucradas a
pie/minuto.

Velocidad Promedio en Espacio Anular.
Va = 24,48 x Q / (D22 – D12)

Donde D2 es el diámetro externo y D1 el interno.

Otros cálculos de Hidraulica lo conforman el Numero de Reynolds, que permite
identificar si el comportamiento de fluido es laminar o turbulento, la velocidad crítica,
que es la que tiene lugar cuando se está pasando de flujo laminar a turbulento, y las
pérdidas de presión.

DESPLAZAMIENTO A SALMUERAS.

Una vez terminado el hoyo de producción, el lodo en el hoyo tiene que ser desplazado por salmuera, también conocida como Agua de Muro. Esta, sobre todo durante la fase de Completación, se pierde hacia la formación productora, cantidad en barriles que tiene que ser contabilizada por hora para luego determinar el total de volumen perdido en el
pozo.

La salmuera, como fluido natural de la formación, constituye la mejor opción para
desplazar los remanentes de lodo viscoelástico que fueron utilizados en la perforación del hoyo de producción, que generalmente es de tipo horizontal. Algunas operadoras para este procedimiento piden mantener la sarta en rotación a 10 pies por encima del fondo, bombear 20 bls de píldora de empuje seguida de 70 bls de Píldora de Salmuera a una tasa de entre 250 y 300 gpm.

Hay que mantener la sarta en rotación y desplazar el lodo hasta que todo el hoyo esté
cubierto de agua de muro. Seguidamente habrá que situarse a 200’ por encima del
zapata para esta vez desplazar el lodo que está en el revestidor por salmuera.

El agua de muro debe de tener una densidad igual a la del lodo viscoelástico, alrededor
de 8,5 lpg y una viscosidad de 26 seg/qt. Por lo tanto las pruebas fisico quimicas a las
que las muestras de salmuera son sometidas por los ingenieros de fluidos son aquellas
que permiten determinar:

- Peso o densidad.
- Gravedad Específica.
- Viscosidad de Embudo.
- Exceso de Cal.
- Porcentaje de Sólidos.

De esta forma se puede asegurar un óptimo desplazamiento del lodo viscoelástico y el
llenado del hoyo con agua de muro.

DOSIFICACION DE BIOCIDA Y SECUESTRANTE DE OXIGENO.

Los Biocidas son sustancias químicas destinadas a destruir la germinación de bacterias en el pozo, producto de la presencia de oxigeno en el hoyo. Estas bacterias constituyen un grave problema para la construcción del pozo, debido a que son altamente corrosivas y su metabolismo produce ácido sulfhídrico (H2S) que provocan serios daños al Equipo de Control de Arena del Pozo.

Para combatirlas, el biocida empleado en la perforación de Pozos en Campo Uracoa, es el THPS (Sulfato-Tetrakis-Hidroximetil-Fosfonio). El empleo de este producto puede reducir drásticamente la presencia de bacterias en el pozo.

También es común emplear agentes secuestrantes de oxígeno, soluciones que son
capaces de reaccionar con las moléculas de oxígeno, transportarlas o transformarlas en otros productos. Con ello se logra reducir la concentración de oxígeno y por ende, la corrosión en los sistemas de completación del pozo.

MANEJO DE DESECHOS SÓLIDOS Y LIQUIDOS
Los desechos sólidos que son acarreados desde el pozo hacia superficie como efecto del circuito cerrado generado por el sistema de circulación, comprenden un problema que tiene que ser solventado para que se pueda recuperar por lo menos cierta parte del lodo que fue bombeado. El equipo de control de sólidos consta de un sistema de bombas centrífugas cuya función es filtrar o retener las partículas sólidas que se añaden al lodo mientras éste está regresando del hoyo.

Durante la fase de perforación del hoyo superficial, el sifón se encarga de absorber el lodo retornado y enviarlo hacia el tanque de Trampa 1. Luego de la instalación de la BOP, esta función la recibe el Flow Line, que envía directamente el fluido hacia el Diversificador de Flujo, o Flow Divider, de donde pasa a las zarandas, las cuales por medio de agitación van decantando el fluido, separándolo de las partículas sólidas por medio de un sistema de mallas.

El lodo cae en el tanque Trampa y luego pasa por el Mud Cleaner, llamado también 3 en 1, en donde se encuentran además el Desander (desarenador) y el Desilter (desarcillador, literalmente). Estas centrífugas poseen hidrociclones que se encargan de las partículas mas pequeñas como lo son los granos de arena y arcilla.

El lodo ya limpio cae en el tanque de asentamiento para luego continuar la circulación pasando por los tanques de succión de donde serán bombeados nuevamente hacia el pozo. Los desechos sólidos caen hacia un tanque denominado Canoa. La limpieza y recolección de estos desechos está a cargo de la empresa de Control Ambiental del taladro.

REVISION DE NORMAS API:

API 13 A: En esta norma se toca el tema de los materiales de fluidos de perforación. Presenta normas de empaquetamiento, transporte y almacenamiento de los productos qímicos que serán empleados en la preparación del lodo. Así como la manera en que deben ser etiquetados y la información que debe contener cada empaque. Presenta además especificaciones y manejo de productos como Barita, Hematita, Bentonita, Atapulgita, y otros.

API RP 13 B-1 Y B-2: La primera especifica procedimientos estandares para determinar las características de fluidos de perforación base agua, tales como densidad, viscosidad, fuerza de geles, contenido de agua-aceite-sólidos, alcalinidad, pH y contenido de arena. Además indica métodos de calibración de equipos de pruebas para lodo. La norma API 13 B-2 indica procedimientos estándar pero para Lodos Base aceite.

 

API RP 13 D: La RP indica Recommended Practice, que indica las prácticas y procedimientos recomendados para estandarizar los métodos de determinación y cálculos de hidráulicas y reologías para fluidos de perforación.