Conozca los 08 Mayores Mecanismos de Inhibición de Arcilla en el Lodo de Perforación

FUENTE: DRILLING MANUAL

Mecanismos de sustancias químicas estabilizadoras e inhibidoras de lutitas y tipos de productos

La gama de mecanismos inhibidores de la lutita y los tipos de productos típicos utilizados para la inhibición de la lutita se tabulan en la siguiente tabla.

Proceso inhibidor	Mecanismo inhibidor de la lutita	Productos típicos inhibidores de la lutita
Intercambio catiónico	Los cationes como el K + no hidratado reemplazan a los cationes hidratados en los sitios de CE.	KCl (también se utilizan algunos cationes orgánicos)
Encapsulamiento	Los polímeros adsorbentes de alto peso molecular recubren los recortes y las superficies del pozo. Se utiliza con mayor eficacia contra la dispersión de esquejes.	Poliacrilamida parcialmente hidrolizada (PHPA)
Reducción de la tasa de permeabilidad del agua en la lutita	El aumento de la viscosidad del fluido da como resultado una menor tasa de flujo hacia los poros de la lutita. Solo los compuestos de peso molecular relativamente bajo pueden fluir a través de poros diminutos en la lutita.	Poligliceroles, polialquilenglicoles, metilglucósido,
Reemplazo de agua entre capas	El agua entre las láminas de arcilla se reemplaza por moléculas orgánicas de adsorción más fuerte (esto a menudo se combina con el intercambio catiónico).	Polialquilenglicoles, PAG con cubierta de amina
Reducción o reversión de la transferencia osmótica de agua a la lutita	El uso de soluciones fuertes de sales o compuestos polihidroxi en el lodo reduce la presión de vapor (actividad del agua), ralentizando o invirtiendo la transferencia de moléculas de agua a la lutita.	NaCl, CaCl2, formiato de potasio, metilglucósido
Obstrucción de los poros de la lutita para reducir la penetración de la presión de los poros	Los microcoloides entran y tapan los pequeños poros de la lutita. Algunos poliglicoles pueden desprenderse de la solución después de penetrar en la lutita y calentarse.	Microgeles poliméricos altamente reticulados, glicoles Cloud Point
Sellado de microfracturas de lutitas	Algunos pozos colapsan cuando el filtrado de lodo ingresa a grietas y microfracturas. Las partículas plastificadas unen, fusionan y sellan las fracturas	Partículas de asfalto o gilsonita. Asfalto sulfonado
Reacciones con arcillas en la lutita para producir cemento entre partículas	Las arcillas reaccionan con la cal y pueden endurecerse (efecto puzolana). Las arcillas reaccionan con el silicato de sodio para reducir el pH y precipitar el cemento de sílice. El silicato también reacciona con calcio, magnesio y aluminio en las arcillas para unir las partículas de cemento.	Lodos con alto contenido de cal, soluciones de silicato de sodio (a veces se usa silicato de potasio)

El costo para la industria de los problemas de pozos y los incidentes de pérdida de tiempo causados por la hidratación de arcillas es inmenso. Como resultado, se ha invertido considerable investigación y desarrollo de productos en productos y sistemas diseñados para mejorar la estabilidad del pozo e inhibir la hidratación de los recortes. Hay muchos tipos de lutitas, muchas formas en las que pueden ocurrir la hidratación y la inestabilidad de la lutita, y muchos métodos que pueden emplearse para minimizar los problemas resultantes, como se explica a continuación:

¿Cómo el intercambio catiónico proporciona inhibición de arcillas?

El intercambio catiónico de cationes hidratados por potasio se ha descrito anteriormente. El cloruro de potasio como inhibidor de la lutita es muy eficaz para inhibir la hidratación de las lutitas que tienen una alta capacidad de intercambio catiónico (es decir, lutitas que contienen una concentración sustancial de montmorillonita y / o illita).

El inhibidor de esquisto utilizado para tal mecanismo.

¿Es la encapsulación la inhibición de las lutitas?

La encapsulación por el inhibidor de lutitas llamado poliacrilamida parcialmente hidrolizada (PHPA) es un método eficaz para tratar lutitas altamente dispersivas como limolitas micáceas y formaciones ricas en caolín. La encapsulación es probablemente mejor para reducir la dispersión de los recortes que para inhibir la hidratación de la lutita del pozo cercano. El PHPA se describe con mayor precisión como un copolímero de acrilamida y ácido acrílico de alto peso molecular. Los grupos funcionales amida y carboxilato se adsorben muy fuertemente sobre la superficie de los recortes, recubriéndolos con una capa de polímero viscoso que ayuda a ralentizar el flujo del filtrado hacia los poros de formación.

¿Cuál es la relación entre la tasa de permeabilidad del agua y el inhibidor de lutitas?

La reducción de la tasa de permeación del agua en el esquisto al aumentar la viscosidad de la fase acuosa obviamente ralentiza el proceso de hidratación. De acuerdo con la ley de Darcy, el caudal de permeación es inversamente proporcional a la viscosidad, por lo que el caudal de un filtrado saturado de sal en un sólido poroso sería la mitad del caudal de agua dulce porque la viscosidad de la solución saturada de cloruro de sodio es el doble que de agua.

Las soluciones de materiales de peso molecular relativamente bajo que funcionan como inhibidores de la lutita (como sales, poligliceroles, metilglucósidos y polialquilenglicoles) pueden fluir a través de los poros de la lutita porque el tamaño de los poros es muy pequeño. El siguiente gráfico muestra que la mayoría de los poros de una lutita típica tienen menos de 10 nanómetros (0,01 micrones) de diámetro. Para un polímero PHPA típico con un peso molecular superior a un millón, una molécula de PHPA disuelta puede tener una longitud de aproximadamente 1000 nm (o 1 micra) y, por lo tanto, no puede fluir a través de la red de poros.

Pore size distribution of a typical shale — Distribución del tamaño de los poros de una lutita típica

Cómo funciona el inhibidor de esquisto llamado polialquilenglicoles (PAGS)

Reemplazo de agua entre capas utilizando polialquilenglicoles (PAG) como inhibidor de la lutita, que normalmente son copolímeros de bajo peso molecular (alrededor de 1000) de óxido de etileno y óxido de propileno. El óxido de etileno a veces se usa solo, como en el polietilenglicol o un alcohol etoxilado como el etoxilato de butanol. Los glicoles de tipo óxido de etileno deben usarse junto con potasio para obtener un buen efecto.

shale inhibitor Edge view of montmorillonite sheets inhibited by polyalkylene glycol and potassium ions — Vista de borde de láminas de montmorillonita inhibidas por iones de potasio y polialquilenglicol

Los iones de potasio se muestran como esferas que ocupan los sitios de intercambio catiónico.
Las moléculas de polialquilenglicol desplazan el agua, llenando el espacio entre las láminas.

Los copolímeros de óxido de etileno y óxido de propileno pueden ser eficaces por sí solos, sin tener que utilizar cloruro de potasio. Los enlaces de éter (-C — O — C-) en los PAG se adsorben en las superficies de las láminas de montmorillonita con más fuerza que el agua, por lo que pueden infiltrarse en el espacio, desplazar el agua y detener una mayor hidratación. Recientemente se han desarrollado moléculas de PAG modificadas que tienen "grupos de anclaje" de amina en cada extremo de una molécula de PAG lineal, similar a la que se muestra a continuación:

A polyalkylene glycol (PAG). — Un polialquilenglicol (PAG).

Además de que el PAG desplaza el agua del espacio entre las láminas de arcilla, los grupos amina son de naturaleza catiónica y pueden adsorberse fuertemente en los sitios de intercambio catiónico, proporcionando una inhibición doblemente eficaz. Es posible que varias moléculas de diamina PAG cierren la brecha entre dos láminas de arcilla, como "nanoropos" que mantienen juntas las láminas.

El efecto de la transferencia osmótica de agua sobre la inhibición de las lutitas

La reducción o reversión de la transferencia osmótica de agua a la lutita requiere una membrana semipermeable que permita que las moléculas de agua, pero no los solutos como las sales, se difundan a través de los poros extremadamente pequeños de la membrana. La membrana también restringe el flujo de agua líquida. Hasta cierto punto, dependiendo de la mineralogía y el nivel de compactación, la lutita puede describirse como una “membrana semipermeable con fugas”. La eficacia de la membrana se puede mejorar (es decir, reducir la permeabilidad a las soluciones acuosas) mediante el uso de aditivos de obturación de poros.

La ósmosis es principalmente un problema con el lodo a base de agua , y es uno que ha ganado en importancia a medida que la eficiencia de los aditivos comerciales ha mejorado a lo largo de los años. Cuanto más se reduce la permeabilidad de una lutita y más se inhibe la hidratación de una lutita, más probable es que la lutita se acerque a la condición de una membrana semipermeable. En estas condiciones, se vuelve más importante usar una fase de salmuera de Actividad de Agua (Aw) reducida en el Lodo de Perforación porque esto evitará la acumulación osmótica de alta presión de poros en la lutita, que puede conducir a agujeros estrechos y / o derrumbes.

La actividad del agua está relacionada con la presión del vapor de agua. El vapor de agua está compuesto por moléculas individuales de agua. En el agua líquida, las moléculas individuales de agua se mueven (difunden) en equilibrio con grupos más grandes de moléculas de agua que se mantienen juntas transitoriamente por enlaces de hidrógeno. La concentración de moléculas de agua individuales es función de la temperatura. Por ejemplo, en el punto de ebullición, varias moléculas de agua individuales se mueven lo suficientemente rápido como para crear una presión de vapor de 1 atmósfera.

La presión del vapor de agua también es función de la concentración de material disuelto en el agua. Por ejemplo, la presión de vapor de la salmuera saturada en cloruro de sodio (alrededor del 25% en peso de NaCl) es menor que la del agua pura en un factor de 0,75 y este factor se denomina coeficiente de actividad del agua (Aw). Las moléculas de agua que se difunden aleatoriamente desde un fluido de perforación en el pozo hacia los poros de una lutita serán capturadas por las superficies de arcilla y los iones disueltos en el agua de los poros en un esfuerzo por restaurar el nivel de hidratación.

Si la actividad del agua en el fluido de perforación es alta, habrá un suministro abundante de moléculas de vapor de agua que se difunden desde el lodo hacia la lutita. Esto aumentará la presión de los poros, que junto con la difusión continua transportará el agua de hidratación hacia el interior de la lutita. Sin embargo, si la actividad del agua en el lodo de perforación es menor que la de la lutita, es más probable que el fluido de perforación capture las moléculas de agua en difusión, lo que conduce a un flujo neto hacia el lodo y una hidratación reducida de la lutita. Esta difusión y captura de moléculas de agua es una forma de ósmosis .

A medida que las lutitas se enterraron durante el tiempo geológico, se compactaron y parte del agua entre partículas se exprimió gradualmente. Los iones que se disolvieron en el agua (por ejemplo, sodio, magnesio, calcio, cloruro, etc.) no eran tan móviles en los poros de la lutita como el agua, debido al efecto de "membra

na semipermeable con fugas", por lo que el agua drenó algunos de los iones quedaron atrás, lo que resultó en un aumento en la salinidad del agua de los poros. Esto conduce a una reducción de la actividad del agua (es decir, una reducción de la presión del vapor de agua) en la lutita.

Además, las partículas de arcilla se comprimieron fuertemente por la presión de la sobrecarga con el tiempo, y las partículas de illita y montmorillonita se comprimieron a medida que escapaba el agua entre capas. Esto pone mucha energía almacenada en la lutita comprimida, por lo que, dada la oportunidad, la lutita quiere rehidratarse y expandirse. Por lo tanto, la lutita comprimida en sí también reduce la actividad del agua, lo que se suma a la contribución de las sales concentradas en el agua de los poros. Como se mencionó anteriormente, la eficiencia de la membrana de lutita semipermeable se puede mejorar mediante el uso de aditivos de obturación de poros, que se describen en el siguiente párrafo.

El taponamiento de los poros de las lutitas se considera un mecanismo de inhibición de las lutitas

En la siguiente ilustración se muestra el taponamiento de los poros de la lutita para reducir la penetración de la presión de los poros. Si la permeabilidad de la lutita cerca de la superficie del pozo se puede reducir sustancialmente taponando los poros de la lutita con diminutos coloides orgánicos o gotitas de PAG nubladas, entonces la presión del pozo y el agua de hidratación no pueden penetrar muy lejos. Por lo tanto, la presión hidrostática del fluido de perforación actúa sobre la superficie del pozo y proporciona soporte a la lutita cercana al pozo.

shale inhibitor Diagram showing plugging of shale pores by colloids or clouded-out polyalkylene glycol droplets. — Diagrama que muestra el taponamiento de los poros de la lutita por coloides o gotitas de polialquilenglicol nubladas.

Además de los coloides orgánicos y los polalquilenglicoles, se cree que el lodo de perforación inhibidor basado en el inhibidor de la lutita llamado silicato de sodio causa la obstrucción de los poros cercanos al pozo en la lutita. La solución de silicato alcalino reacciona con la arcilla en la pizarra y los iones en el agua de los poros. La posterior caída del pH hace que la sílice precipite, y el calcio y el magnesio disueltos en el agua de los poros hacen que precipiten las sales de silicato insolubles. Ambos precipitados coloidales son obturadores de poros eficaces.

¿Cómo el sellado de micro fracturas de esquisto juega un papel como solución inhibidora de esquisto?

El sellado de micro-fracturas de lutitas es importante cuando las lutitas son frágiles y contienen muchas pequeñas fracturas y micro-grietas. Como se muestra en el diagrama de la izquierda a continuación, la presión del lodo puede filtrarse hacia las grietas, lo que genera poca o ninguna presión diferencial (ΔP) que soporta la lutita cercana al pozo. Esto puede resultar en desconchado, donde pedazos de lutita se desprenden y caen en el pozo, y derrumbes del calibre del pozo.

Diagram showing sealing of shale micro-fractures using asphalt particles — Diagrama que muestra el sellado de microfracturas de lutita utilizando partículas de asfalto

Algunos materiales inhibidores de la lutita, como el asfalto soplado o la gilsonita, son sólidos bastante frágiles a temperaturas superficiales y se pueden moler a un tamaño similar al de las microfisuras en la lutita. Cuando se agrega a un fluido de perforación, las partículas en polvo se alojan en las entradas a las fracturas en la lutita. Luego se ablandan por las temperaturas elevadas en el fondo del pozo, lo que les permite deformarse y fusionarse, sellando las entradas a las grietas. Esto detiene la penetración de la presión del pozo más allá de la lutita cercana al pozo, y la presión diferencial puede soportar la pared del pozo, evitando el desconchado y el derrumbe de la lutita en el pozo.

Cómo las reacciones químicas pueden causar inhibición de la lutita

Las Reacciones con arcillas en la lutita para producir cementación entre partículas se mencionaron anteriormente, donde el filtrado alcalino de los fluidos de silicato de sodio reacciona con la arcilla en la lutita. La alta alcalinidad puede disolver algo de sílice de las capas de sílice de arcilla, y las capas de alúmina pueden disolverse transitoriamente hasta cierto punto para dar aluminato de sodio en solución. Estas reacciones reducen la alcalinidad del filtrado invadido, lo que conduce a la precipitación de la sílice, mientras que el aluminato y los silicatos se combinan para eliminar aluminosilicatos amorfos.

Además de los efectos de taponamiento de poros de estos precipitados mencionados anteriormente, actúan como un cemento intergranular que hace que la lutita se endurezca y gane en resistencia. Mediante estos procesos, los fluidos de silicato de sodio han proporcionado en ocasiones los niveles de estabilidad del pozo que solo se obtenían previamente mediante el uso de lodos a base de petróleo. Sin embargo, algunos inconvenientes que se han observado con los sistemas de silicato incluyen la acumulación de recortes en los BHA, escasa lubricidad, interferencia con las herramientas MWD y dificultad para obtener una baja pérdida de fluido.

Cabe mencionar que se han utilizado fluidos con alto contenido de cal en la perforación de lutitas. El objetivo aquí es que la cal en el filtrado reaccione con las partículas de arcilla en la lutita de manera similar al cemento Portland, o los morteros de cal, para producir un precipitado cementoso de silicato de calcio. El uso de fluidos de cal para la perforación de lutitas ha disminuido con el desarrollo de aditivos y fluidos inhibidores más eficientes.

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