Fluidos de Perforación : Funciones, Propiedades y Aditivos / Fluidos Neumáticos

 

Propiedades de los fluidos de perforación

  Hay muchas propiedades físicas y químicas de los fluidos de perforación que son útiles para conocer o incluso críticas para determinar.  Las propiedades físicas de un fluido de perforación, la densidad y las propiedades reológicas se examinan continuamente para optimizar el proceso de perforación rotativa.  

Estas propiedades contribuyen a prevenir la afluencia de fluido de formación, brindando estabilidad al pozo, proporcionando energía hidráulica en la broca de perforación, eliminando los sólidos perforados (pozos) del pozo y suspendiéndolos durante los períodos estáticos, y permitiendo la separación de sólidos y gas en la superficie.  

Las propiedades químicas de un fluido de perforación proporcionan los efectos químicos asociados con daños en la formación, cambios en las propiedades reológicas y problemas de transporte de recortes.

Los fluidos de Perforación se clasifican principalmente en:

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Funciones de los fluidos de perforación

Las funciones de un fluido de perforación se pueden clasificar de la siguiente manera:
 
- Recortes de transporte

• Limpiar bajo la broca 
• Transportar los recortes por el pozo.
• Liberarlos recortes en la superficie sin perder otros materiales beneficiosos (aditivos o productos de elaboración)
• Mantener los recortes y materiales de ponderación cuando se interrumpe la circulación.

- Funciones fisicoquímicas.
- Refrigeración y lubricación de la broca giratoria y la sarta de perforación.
 
- Control de pérdida de fluidos.

• Cubra el pozo recién perforado con una torta impermeable para soporte de perforación
• Reducir los efectos adversos y dañinos en la formación alrededor del pozo.

- Control de presión subsuperficial.
- Apoyar parte de la sarta de perforación y el peso del revestidor (flotación).
- Asegurar la máxima información de registro.
- Transmitir caballos de fuerza hidráulicos a la broca giratoria (Magcobar 1972)
 
 

• Recortes de transporte. 

El fluido de perforación debe poder remover fragmentos de roca o cortes de debajo de la broca de perforación, transportarlos hacia el anillo de perforación del pozo, y permitir su separación en la superficie utilizando equipos de control de sólidos. La densidad y la viscosidad del fluido de perforación son las propiedades que controlan el proceso de elevación de partículas que caen a través del fluido que fluye por el efecto de la gravedad. El fluido también debe tener la capacidad de formar una estructura similar a un gel para sostener los recortes y materiales de ponderación cuando se interrumpe la circulación.
 
Los pozos horizontales y de ángulo alto requieren formulaciones de fluidos especializadas y protocolos de "barrido" para minimizar el riesgo de hundimiento de la barita (en la cual la suspensión de barita se separa en el fondo del pozo) y de la deposición de los cortes en el lado bajo, lo que puede conducir a una tubería atascada y la pérdida de el pozo. La lubricidad del fluido de perforación también es un factor clave para controlar el par y la resistencia al arrastre en este tipo de operaciones.
 

• Funciones fisicoquímicas.  

El sistema de fluido de perforación debe permanecer estable cuando se expone a contaminantes y condiciones hostiles en el fondo del pozo. Entre los contaminantes naturales comunes se encuentran sólidos de perforación reactivos, gases ácidos corrosivos (por ejemplo, H2S), flujos de agua salada y evaporitas (por ejemplo, yeso). El cemento utilizado en la colocación de la carcasa y las cuerdas de revestimiento también es un contaminante para algunos lodos a base de agua. Los pozos en ciertas áreas tienen temperaturas extremadamente altas en el fondo del pozo, en ocasiones cerca de los 500 ° F, y, igualmente, las ubicaciones árticas pueden exponer el fluido de perforación a temperaturas bajo cero en la superficie.

 

• Enfriamiento y lubricación de la broca giratoria y la sarta de perforación.  

El lodo de perforación se enfría y lubrica cuando la broca giratoria penetra en el fondo del agujero y cuando la sarta de perforación gira contra las paredes del pozo. El fluido debe tener la capacidad de absorber el calor generado por la fricción entre las superficies metálicas y la formación. Además, el fluido no debe afectar negativamente la vida útil de la broca ni aumentar el torque y el arrastre entre la sarta de perforación y el pozo.

 

• Control de pérdida de fluidos.  

La broca elimina el soporte lateral del pozo perforado y se reemplaza inmediatamente por el fluido de perforación hasta que la caja se coloca con cemento. La estabilidad de las secciones sin revestimiento del pozo se logra mediante una torta de filtro delgada y de baja permeabilidad formada por el lodo en las paredes del agujero. Además, la torta sella los poros y otras aberturas en las formaciones causadas por la broca, minimizando así la pérdida de líquido en formaciones permeables.
 
El mal control de la pérdida de fluido puede causar un aumento repentino (un aumento en la presión del pozo debajo de una broca al ingresar al orificio), un hisopo (una disminución en la presión del pozo bajo una broca al salir del orificio) y problemas de presión de circulación (conocidos como ECD). La pérdida de circulación aumenta el costo del fluido de perforación y el potencial de entrada de fluidos (gas, petróleo o agua) de las formaciones. La alta viscosidad y la alta resistencia del gel también pueden causar una presión excesiva en el pozo.
 
El fluido de perforación no debe afectar negativamente a la producción de la formación que contiene fluido. Es decir, el lodo de perforación está diseñado para reducir los efectos adversos en la formación alrededor del pozo. En contraste, el fluido debe ayudar en la recopilación e interpretación de la información del registro eléctrico.

 

• Control de presión subsuperficial.  

Un fluido de perforación es la primera línea de defensa contra problemas de control de pozos. El fluido de perforación equilibra o supera las presiones de formación en el pozo. Por lo general, esto se logra con agentes de ponderación como la barita, aunque hay otros productos químicos que se pueden usar. Además, se puede ejercer presión en la superficie para dar la presión equivalente necesaria para equilibrar una presión de formación.
 
Una condición de desequilibrio ocurre cuando el fluido de perforación ejerce una presión más alta que la presión de formación. Una condición de bajo balance ocurre cuando el fluido de perforación ejerce una presión más baja que la presión de formación. Por lo tanto, en las operaciones de perforación con bajo balance, el pozo se perfora deliberadamente con una combinación de presión / fluido más baja que la presión de formación. Existe una condición equilibrada si la presión ejercida en el pozo es igual a la presión de formación.
 
 

• Ayuda a soportar la sarta de perforación y el peso del revestidor.

 Cada vez que un material se sumerge en un fluido en un campo gravitatorio, hay una reacción que compensa la fuerza que ejerce la gravedad. Esto suele denominarse flotabilidad, aunque existen muchos conceptos erróneos relacionados con este término. No obstante, en situaciones de fuerte ponderación, esta "fuerza de flotabilidad" puede ayudar a compensar parte del peso de una sarta de perforación o revestidor. Este desplazamiento depende de la densidad del fluido, ya que los fluidos de mayor densidad brindan más de un "fluido" desplazado y de menor densidad (por ejemplo, aire) que no ayudan mucho, si es que lo hacen.

 

• Asegurar la máxima información de registro.  

El fluido de perforación tiene un profundo impacto en las propiedades eléctricas y acústicas de una roca. Debido a que estas propiedades son lo que miden las herramientas de registro, es imperativo que se realice la selección correcta de la herramienta de registro por cable o la herramienta de registro durante la perforación (LWD) para un determinado fluido de perforación. O, a falta de eso, entonces se debe usar el fluido de perforación correcto para una herramienta de registro dada. Además, el fluido de perforación debe facilitar la recuperación de información mediante análisis de recortes.
 

• Transmitir caballos de fuerza hidráulicos a la broca giratoria.  

La fuerza hidráulica se transmite a la broca giratoria cuando el fluido se expulsa a través de las boquillas de la broca a una velocidad muy alta. Esta fuerza aleja los fragmentos de roca o los recortes de la formación perforada debajo de la broca. En las operaciones de perforación direccional, la fuerza hidráulica alimenta el motor hidráulico de fondo de pozo y hace girar los generadores de energía eléctrica (turbinas) para el equipo de medición de la perforación de pozos (MWD) y LWD.

 

Aditivos para fluidos de perforación

Los fluidos de perforación a base de agua consisten en una mezcla de sólidos, líquidos y productos químicos, y el agua es la fase continua. Los sólidos pueden estar activos o inactivos. Los sólidos activos (hidrófilos), como las arcillas hidratables, reaccionan con la fase acuosa, disolviendo sustancias químicas y haciendo que el lodo sea viscoso. Los sólidos inertes (hidrófobos) como la arena y el esquisto no reaccionan con el agua y los productos químicos en un grado significativo.  

Básicamente, los sólidos inertes, que varían en gravedad específica, dificultan el análisis y control de los sólidos en el fluido de perforación (es decir, los sólidos inertes producen efectos indeseables).
 
En la actualidad se utilizan amplias clases de aditivos para fluidos de perforación a base de agua. Las arcillas, polímeros, agentes de ponderación, aditivos para el control de la pérdida de fluidos, dispersantes o diluyentes, químicos inorgánicos, materiales de pérdida de circulación y surfactantes son los tipos más comunes de aditivos utilizados en los lodos a base de agua.
 
Agentes Densificantes.  
El aditivo de densidad más importante en los fluidos de perforación es el sulfato de bario (BaSO 4 ). La barita es un mineral denso que comprende sulfato de bario. La gravedad específica de la barita es de al menos 4,20 g / cm 3 para cumplir con las especificaciones API para producir densidades de lodo de 9 a 19 lbm / gal.  

Sin embargo, una variedad de materiales se han utilizado como agentes de ponderación para fluidos de perforación, incluyendo siderita (3.08 g / cm 3 ), carbonato de calcio (2.7–2.8 g / cm 3 ), hematita (5.05 g / cm 3 ), ilmetita (4.6 g / cm 3 ), y galena (7.5 g / cm 3 ).

 
Aditivos para el control de la pérdida de fluidos. 
Las arcillas, dispersantes y polímeros como el almidón se usan ampliamente como aditivos de control de pérdida de fluidos. La montmorillonita sódica (bentonita) es el aditivo primario para el control de la pérdida de fluidos en la mayoría de los fluidos de perforación a base de agua. Las partículas de bentonita sódica de tamaño coloidal son muy delgadas y parecidas a una lámina con una gran área de superficie, y forman una torta de filtro compresible. Los sistemas de lodo inhibidores inhiben la hidratación de la bentonita y disminuyen en gran medida su eficacia. Por lo tanto, la bentonita debe estar prehidratada en agua dulce antes de agregarse a estos sistemas. Las partículas más grandes y más gruesas de la montmorillonita de sodio no presentan las mismas características de control de pérdida de líquido.

 
Reductores o dispersantes.  
Aunque el propósito original de aplicar ciertas sustancias llamadas diluyentes fue reducir la resistencia al flujo y el desarrollo del gel (relacionado con la reducción de la viscosidad), el uso moderno de dispersantes o diluyentes es mejorar el control de la pérdida de fluido y reducir el espesor de la torta de filtración. El término dispersante se usa con frecuencia de manera incorrecta para referirse a defloculantes.

 Los dispersantes son materiales químicos que reducen la tendencia del lodo a coagularse en una masa de partículas o "células floc" (es decir, el engrosamiento del lodo de perforación resultante de la asociación de plaquetas de borde a borde y de borde a cara) . Además, algunos dispersantes contribuyen al control de la pérdida de líquidos tapando o cerrando pequeñas aberturas en la torta del filtro. Por esta razón, algunos dispersantes como el lignosulfonato (un polímero altamente aniónico) son más efectivos que otros como reductores de pérdida de fluidos (IMCO 1981).
 
El quebracho es un tipo de tanino que se extrae de ciertos árboles de madera dura y se usa como diluyente de lodo. También se puede agregar al lodo para contrarrestar la contaminación del cemento. Se requiere un alto pH para que el quebracho se disuelva fácilmente en agua fría. Por lo tanto, el quebracho se debe agregar con sosa cáustica en proporciones iguales en peso de 1 parte de soda cáustica a 5 partes de quebracho. La concentración de quebracho varía entre 0.5 y 2 lbm / bbl. Deben observarse las consideraciones de seguridad para mezclar estos fluidos (o cualquier fluido y sólido).
 

Materiales para perdida de circulación (LCM). 
En el lenguaje del lodo, las pérdidas de todo el fluido de perforación a la formación subsuperficial se llaman pérdida de circulación. La circulación en un pozo de perforación puede perderse en areniscas altamente permeables, fracturas naturales o de formación inducida y zonas cavernosas; tal pérdida es generalmente inducida por presiones excesivas del fluido de perforación. La perforación del lodo que fluye hacia la formación implica una falta de lodo que regresa a la superficie después de ser bombeado hacia un pozo.
 
Se ha utilizado una inmensa diversidad de materiales de circulación perdida. Los materiales de uso común incluyen:

• Materiales fibrosos como fibra de madera, fibra de algodón, fibra mineral, llantas de automóvil trituradas, moneda de tierra y pulpa de papel
• Material granular como cáscara de nuez (fi, media y gruesa), carbonato de calcio (fi, media y gruesa), perlita expandida, mármol, fórmica y cascos de semilla de algodón
• Materiales parecidos a flakel, tales como escamas de mica, celofán desmenuzado y piezas de plástico laminado

Darley y Gray (1988) incluyen un grupo adicional de materiales de perdida de circulación de lodos. El cemento hidráulico, las mezclas de lodo de bentonita con aceite diesel y los lodos de perforación con pérdida de filtro se endurecen (aumentan la resistencia) con el tiempo después de la colocación.
 
 
Tensioactivos o agentes de superficie activa.  
Un agente tensoactivo es un compuesto orgánico soluble que se concentra en el límite de la superficie entre dos sustancias diferentes y disminuye la tensión superficial entre ellas. La estructura molecular de los surfactantes está formada por grupos diferentes que tienen tendencias de solubilidad opuestas, tales como hidrófobas e hidrófilas. Se usan comúnmente en la industria del petróleo como aditivos para el fluido de perforación a base de agua para cambiar el estado coloidal de la arcilla de la dispersión completa a una de floculación controlada. Pueden ser catiónicos (disociarse en un catión orgánico grande y un anión inorgánico simple), aniónicos (disociarse en un anión orgánico grande y un catión inorgánico simple) o no iónicos (cadenas largas de polímero que no se disocian) (Darley y Gray, 1988 ).
 
Los surfactantes se utilizan en los fluidos de perforación como emulsionantes, dispersantes, agentes humectantes, espumantes y desespumantes, y para disminuir la hidratación de la superficie de la arcilla. El tipo de comportamiento del surfactante depende de los grupos estructurales de las moléculas.
 
Varios otros aditivos. 
Hay una gran cantidad de otros aditivos para fluidos de perforación. Algunos se utilizan para el control del pH, es decir, para el control de la reacción química (inhibir o mejorar) y la mitigación de la corrosión de la sarta de perforación. Hay bactericidas utilizados en los fluidos cargados de almidón (en particular, los lodos de sal) para matar las bacterias. Hay varios reductores de contaminantes como el polifosfato de ácido sódico (SAPP) que se utiliza al perforar el cemento para unir el calcio de los recortes de cemento. Hay inhibidores de la corrosión, especialmente los eliminadores de H2S.  

Hay antiespumantes para eliminar los agentes espumantes y espumantes para mejorar la formación de espuma. Hay lubricantes para la reducción de torsión y arrastre, así como agentes que liberan tuberías cuando se atasca una sarta de perforación.

FLUIDOS NEUMATICOS
Los fluidos neumáticos (basados ​​en aire / gas) se utilizan para perforar zonas agotadas o áreas donde se pueden encontrar presiones de formación anormalmente bajas. Una ventaja de los fluidos neumáticos sobre los sistemas de lodo líquido se puede ver en las mayores tasas de penetración. Los recortes se eliminan literalmente de la superficie de corte delante de la broca como resultado del considerable diferencial de presión. El diferencial de alta presión también permite que los fluidos de formación de zonas permeables fluyan hacia el pozo.

Los fluidos basados ​​en aire / gas son ineficaces en áreas donde se encuentran grandes volúmenes de fluidos de formación. Una gran afluencia de fluidos de formación requiere convertir el fluido neumático en un sistema basado en líquido. Como resultado, las posibilidades de perder la circulación o dañar una zona productiva aumentan considerablemente. Otra consideración al seleccionar fluidos neumáticos es la profundidad del pozo. No se recomiendan para pozos por debajo de aproximadamente 10,000 pies porque el volumen de aire requerido para levantar los recortes desde el fondo del orificio puede llegar a ser mayor de lo que el equipo de superficie puede entregar. 


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