LODOS DE PERFORACIÓN: Sistemas viscoelásticos

Hola comunidad científica de Steemit. Como en otras oportunidades aquí me encuentro compartiendo mis conocimientos relacionados con la industria del petróleo. En esta ocasión nuestro objetivo esta enfocado en el estudio de los sistemas viscoelásticos **¿qué son?** son fluidos utilizados durante la perforación y completación de pozos petroleros. Con el pasar del tiempo en la perforación de pozos se han desarrollado nuevas técnicas y herramientas para obtener la mayor recuperación de hidrocarburo de los yacimientos. La perforación de pozos direccionales es una de ella, consigue incrementar la producción, disminuir costos, riesgos ambientales y otros beneficios. No obstante, trae como consecuencia una serie de problemas tales como acumulaciones de ripios en las zonas más inclinadas, excesivo torque y arrastre de la sarta de perforación y rápida sedimentación de ripios. Todos estos problemas se lograron disminuir con la implementación de los fluidos viscoelásticos debido a sus especiales características reológicas. .png) _{Fuente: Imagen de @ennyta} En estos pozos direccionales el uso de los sistemas convencionales con fluidos tixotrópicos, es decir reológicamente dependientes del tiempo continuaron originando resultados erróneos. Mientras que los fluidos de perforación especialmente diseñados y viscosificados con biopolímeros han probado ser la mejor selección en un amplio rango de aplicación. Los fluidos basados en biopolímeros exhiben propiedades reológicas ideales no encontradas en sistemas convencionales. Una de las funciones del ingeniero de petróleo consiste en disminuir al máximo los costos que involucra las operaciones de perforación, para ello es imprescindible tener en cuenta factores como la perforación de pozos en el menor tiempo posible, evitar el daño a la formación y el impacto ambiental. Basándose en estas necesidades se creó un fluido económico, eficiente, muy bueno para el control de propiedades reológicas y para reducir el impacto ambiental, se trata de los lodos viscoelásticos especialmente diseñados y viscosificados con el uso de biopolímeros los cuales han probado ser la mejor selección en un amplio rango de aplicación en pozos horizontales y direccionales.  ### ¿Qué son lodos viscoelásticos? # Son fluidos pseudoplásticos, eso quiere decir que tiene características viscosas como un líquido y elásticas como un sólido. Entre las principales propiedades que tienen estos fluidos está la alta viscosidad que alcanza a bajas tasas de corte y puede desarrollar geles instantáneos de fácil ruptura. Este tipo de fluidos no llevan en su composición bentonita, como es el caso de los lodos base agua, en sustitución de ella utilizan biopolímeros, por ello también se conocen como fluidos biopoliméricos, los cuales se obtienen mediante un proceso de fermentación bacteriana. Tienen excelentes propiedades de viscosidad y una alta capacidad de limpieza del hoyo, esto ayuda a acarrear los ripios especialmente en trabajos de perforación en pozos horizontales y direccionales.  ### Beneficios y ventajas del sistema viscoelástico # * Óptimos para perforación de pozos horizontales y direccionales. * Minimiza los problemas de arrastre. * Mejora las condiciones hidráulicas de la mecha. * Permite tener mayores tasas de flujo y de penetración. * Reduce las pérdidas de presión en los flujos turbulentos. * Simplifica los procedimientos de limpieza del equipo. * Forma revoque delgado para proteger la zona productora de daños causados por invasión de fluidos. * Reducen las presiones de bombeo. * Baja concentración total de sólidos. * Inhiben las arcillas de las formaciones productoras. * Aceptabilidad ambiental. * Estos sistemas optimizan las paredes del hoyo para las operaciones de completación.  ### Limitaciones del sistema viscoelástico # * Son pocos resistentes a las altas temperaturas (250°F) ya que producen una pérdida de viscosidad en los polímeros que componen el sistema viscoelástico, por lo tanto, deben ser evitadas. * También se degradan cuando permanecen estáticos por grandes períodos de tiempo. * Los almidones naturales usados en el control de filtrado se degradan alrededor de los 250°F. * Tiende a degradarse por bacterias por efecto de la fermentación, por lo tanto se debe usar bactericidas.  ### Comportamiento del sistema viscoelástico en la perforación con respecto a la limpieza del hoyo # Las características excepcionales del sistema aseguran la suspensión superior del ripio y la máxima limpieza del espacio anular. A bajas tasas de corte, aumenta la viscosidad mucho más que otros polímeros, ventaja que da mejor aptitud para suspender los ripios. Su capacidad de suspensión es tal que aun en condiciones estáticas minimiza la formación de lechos de ripios que se forman en el punto de máxima desviación. El perfil óptimo para la remoción de sólidos en la perforación de pozos horizontales es el flujo turbulento. Está demostrado que los fluidos viscoelásticos permiten minimizar los problemas de arrastre, mejorar las condiciones hidráulicas en la mecha y obtener mayores tasas de penetración.  ### ¿Qué efecto puede causar el cemento en un sistema viscoelástico? # El cemento es un contaminante muy común encontrado en la perforación proveniente del proceso de cementación del pozo. Este contaminante afecta notablemente la estabilidad de los biopolímeros, debido a que el cemento contiene compuestos de calcio que reaccionan con el agua que forma parte del lodo y forma hidróxido de calcio (cal) el cual altera el pH del fluido haciendo que aumente y afectando directamente las propiedades de los polímeros que forman parte de la composición del lodo viscoelástico, un alto pH destruye el polímero.  ### Componentes químicos del sistema viscoelástico # Entre los componentes necesarios para la preparación de los fluidos viscoeslásticos se encuentran los siguientes: * **Agua fresca** Es la fase continua del sistema viscoelástico, puede ser agua dulce o salmuera esto depende de la disponibilidad del líquido. Es usada como base del fluido y es ideal para perforar formaciones duras, compactas y de bajas presiones. * **Barazan** Es un biopolímero también conocido como goma xántica o de xanta. Es el componente que provee viscosidad y suspensión al sistema. * **Dextrid** Se usa como controlador de filtrado, provee un mínimo de viscosidad y aumenta la estabilidad del pozo. Este componente es un almidón proveniente de las papas. * **Hidróxido de Potasio (KOH)** Se emplea para incrementar el pH en el sistema, además que ayuda a la inhibición de las lutitas. * **Lubricante de baja toxicidad (Lube 167)** Es un lubricante usado para disminuir el coeficiente de fricción, por lo tanto se disminuye el torque de la sarta de perforación, la pega y el arrastre. * **Aldacide G** Es un componente que se emplea para controlar la proliferación bacteriana en el fluido. * **Carbonato de calcio (CaCO₃)** Es usado como densificante, por lo que al aumentar la densidad del lodo ayuda a evitar la invasión de fluidos externos desde la formación al pozo y al mismo tiempo ayuda a prevenir la pérdida de circulación.  ### Preparación de un sistema viscoelástico # En la preparación de los lodos viscoelásticos no se utilizan arcillas comerciales (como por ejemplo bentonita) como viscosificantes, como es el caso de los lodos base agua. En reemplazo de estas arcillas se utilizan biopolímeros, los cuales son obtenidos mediante un proceso de fermentación bacteriana, a través de este proceso permite al fluido ser mucho más viscoso y por lo tanto tener la capacidad de suspensión de los sólidos, ayuda a mejorar la hidráulica y disminuye los problemas durante la perforación de torque y arrastre. Durante la perforación de pozos desviados las fuerzas gel juegan un papel importante ya que dadas las condiciones de esfuerzos establecidos se requieren de una apropiada resistencia que va a permitir la suspensión de los ripios desprendidos así como también del material que se ha derrumbado. Estas fuerzas gel deben proporcionar la suspensión bajo condiciones estáticas y de baja velocidad de corte. Hay que considerar que estos geles no deberían ser demasiado altos para evitar problemas operacionales. Para el desarrollo de esta publicación se prepararon 4 sistemas viscoelásticos que estaban compuestos por agua, Barazan, Dextrid, KOH, X-CIDE y CaCO₃. Se determinaron propiedades como la densidad, pH, reología (a temperatura ambiente y T=120ºF), filtrado API y HP-HT, porcentaje de agua y sedimentos. Posteriormente 2 sistemas fueron contaminados con cemento e igualmente se le determinaron todas las propiedades empleando equipos como la balanza analítica, la balanza de lodos, viscosímetro Fann, el Kit retorta y la filtro prensa API. --- ##### Durante la preparación del lodos se empleó los siguientes componentes:  ##### Resultados de las propiedades reológicas tanto del lodo viscoelástico sin contaminar (base) y el contaminado con cemento   ### Discusión de los resultados obtenidos # Con la preparación del lodo viscoelástico se produjeron los valores de las propiedades del sistema, como se muestra en la tabla de resultados (Tabla 2). Se elaboraron y estudiaron cuatro muestras de lodos, dos lodos base y dos lodos contaminados con cemento, para así evaluar la variación de las propiedades del sistema: ##### Densidad Con la ayuda de la balanza de lodos para determinar la densidad del sistema se determinóque la densidad obtenida en la muestra 1 es de 9.1 lpg, permaneciendo constante en las tres muestras restantes, dando a demostrar que la contaminación por cemento no afecta la densidad del sistema, sin embargo teóricamente debería ser lo contrario, ya que un sistema contaminado con cemento aumenta la cantidad de sólidos (debido a la reacción del mismo con el agua) y, por ende, también lo debería hacer la densidad, este aumento no es alto, pero si debe variar en comparación con un lodo base. ##### pH Para la medición del pH se puede notar que las muestras 1 y 2 poseen valores relativamente lejanos, demostrando así que la contaminación con cemento altera esta propiedad, debido a que el mismo contiene compuestos de calcio que reaccionan con el agua para formar hidróxido de calcio (cal), la cual aumenta la presencia de iones OH- en el lodo y, por consiguiente, aumenta drásticamente del pH del mismo. Cabe destacar que con la presencia de un pH excesivamente alto la mayor parte de los biopolímeros constituyentes de los lodos viscoelásticos se degradan, ocasionando alteraciones en las demás propiedades de dicho sistema. Las variaciones y semejanzas de los pH obtenidos se pueden observar en la gráfica de variación de pH en lodos base y contaminados donde las muestras 1 y 3 no presentan gran variación entre sí, pero las muestras 2 y 4 denotan mayor variación con la contaminación con cemento.  _{Variación de pH en lodos base y contaminados [Imagen propiedad de @ennyta]} ##### Viscosidad plástica La viscosidad plástica obtenida en las diferentes muestras no son cercanas en comparación con los valores teóricos de un rango de 6 cps a 15 cps. Pero en la muestra 1 se puede notar que la viscosidad plástica presente a una temperatura ambiente es de 48 cps mientras que a la temperatura de 120ºF es de 33 cps. Esta variación es aceptable y acorde a la teoría, debido a que un aumento de temperatura en un lodo hace que las fuerzas intermoleculares de las partículas presentes en el mismo disminuyan ocasionando un libre movimiento y a su vez una reducción de la fricción entre las partículas, lo que ocasiona la variación o merma de esta propiedad, como se muestra en la gráfica del comportamiento de la viscosidad plástica con respecto a la temperatura. Mientras que las muestras de lodo contaminado los valores resultantes deben ser menores que los lodos base, debido a que la adición de cemento al lodo produce degradación de los polímeros (los cuales son los que aportan la viscosidad al sistema), provocando así la disminución de la propiedad. La certeza de las variaciones mencionadas se puede observar en las muestras restantes.  _{Comportamiento de la viscosidad plástica con respecto a la temperatura [Imagen propiedad de @ennyta]} ##### Punto cedente Así como ocurrió una variación en la viscosidad plástica, del mismo modo ocurre con el punto cedente, debido a que ambos dependen de las condiciones en que se presenten las partículas; la viscosidad plástica depende de la fricción mecánica entre las partículas y el punto cedente depende de las fuerzas de atracción entre las partículas producto de la interacción de las cargas eléctricas de las mismas, donde el rango teórico es de 23 lbs/100pie² a 57 lbs/100pie² y para lodos contaminados los valores están entre 20 lbs/100pie² y 24 lbs/100pie². Los valores obtenidos de punto cedente oscilan en los lodos base entre 21 lbs/pie² a 80 lbs/pie² y en los lodos contaminados entre 34 lbs/pie² a 91 lbs/pie², los cuales se puede decir que poseen algunos valores óptimos de punto cedente para un buen funcionamiento del lodo con la formación. Cabe destacar que los sistemas viscoelásticos poseen la característica de presentar un punto cedente mayor a la viscosidad plástica, debido a la interacción eléctrica entre las superficies de las partículas presentes en el sistema y la presencia de iones salinos, comparado con una baja resistencia al flujo por fricción mecánica. En consideración con el lodo contaminado con cemento en la muestra 2 a temperatura ambiente, se puede notar que existe una variación en esta propiedad en comparación con la muestra 1 a la misma temperatura (lodo base), debido a que un aumento de sólidos aumenta el número de cargas de superficie cuando el ión calcio rompe las cadenas de los polímeros (los cuales controlan la reologia del sistema) y disminuye la distancia entre las partículas, provocando el aumento del punto cedente. Mientras que para los lodos base y contaminados a 120ºF se puede notar que los valores son menores a las mediciones de punto cedente realizadas a temperatura ambiente, esto es debido a que el aumento de temperatura disminuye las fuerzas de atracción entre las partículas, reduciendo la resistencia a fluir del lodo y, por ende, ocasiona una reducción del punto cedente en todas las muestras. Estas observaciones se pueden observar claramente en la gráfica del comportamiento del punto cedente con respecto a la temperatura.  _{Comportamiento del punto cedente con respecto a la temperatura [Imagen propiedad de @ennyta]} ##### Viscosidad aparente En el caso de la viscosidad aparente cuyo valor teórico es de 35 cps para los sistemas viscoelástico y los valores obtenidos no cumplen con el valor teórico, ya que para los lodos base a temperatura ambiente y a 120°F oscilan entre 20.5 cps a 90 cps y para los lodos contaminados a temperatura ambiente y a 120°F oscilan de 49 cps a 83 cps. Se puede apreciar que los lodos base presentan mayor viscosidad aparente a diferencia de los lodos contaminados, esto debido a la degradación de los polímeros causada por el cemento, cabe destacar que un alto valor de viscosidad generará problemas de bombeabilidad del lodo, reducción de las tasas de penetración y un inadecuado acarreo de ripios. En la gráfica viscosidad aparente vs temperatura, se observaron reducciones de viscosidad aparente a mayores temperaturas, ocasionando una disminución a la resistencia que tienen los fluidos a fluir, lo cual va de la mano con el punto cedente ya que ocurre la misma disminución a altas temperaturas.  _{Comportamiento de la viscosidad aparente con respecto a la temperatura [Imagen propiedad de @ennyta]} ##### Pérdida de filtrado Para el sistema estudiado las pérdidas de filtrado posee un rango entre 5cc/30min y 14cc/30min. Los resultados obtenidos mediante el equipo de Filtro Prensa API nos muestran la variación de filtrado en intervalos de tiempos semi-continuos en un lodo base y otro contaminado con cemento a temperatura ambiente, dichos resultados se encuentran dentro del rango teórico preestablecido. La presencia de cemento en un lodo aumenta el espesor del revoque como se muestra en la gráfica (el lodo base presenta un espesor de 1.5mm y el lodo contaminado 2.5mm) lo que tiene como consecuencia un aumento en el volumen de filtrado, debido a que la presencia de un revoque grueso no cumple con las funciones ideales de un revoque como el control de filtración, esto se ve reflejado en la gráfica del volumen de filtrado contra tiempo.  _{Volumen de filtrado contra tiempo [Imagen propiedad de @ennyta]} Mientras que