LABORATORIO DE FLUIDOS DE PERFORACION

Peso Especifico y Densidad

1.- OBJETIVO:

Determinar la densidad de un lodo de perforación. Aprender el uso de la balanza y el hidrómetro usados en la cabina del lodero. Diferenciar las diferentes composiciones y materiales usado en las operaciones

de perforación.

2.- EQUIPO Y MATERIALES:

Balanza de lodo (Fann).

Hidrometro Mudwater.

Agitador (Hamilton Beach).

Bentonita 22.55g.

Baritina 40.86g.

Agua 350 ml.

Jarro de lodos.

3.- MARCO TEORICO:

¿QUE ES UN FLUIDO DE PERFORACION?

Es una mezcla de una solvente(base) con aditivos o productos, que cumplen funciones físico-quimicas especificas, de acuerdo a las necesidades operativas de una formación a perforarEn el lenguaje de campo, también es llamado Barro o Lodo de PerforaciónFunciones:

- Evacuar los recortes de perforación- Controlar las presiones de la formación- Suspender y descargar los recortes- Obturar las formaciones permeables

- Manterner la estabilidad del pozo- Minimizar daños a la formación- Enfriar, lubricar y alivianar la columna de perforación- Transmitir energía hidráulica a herramientas y trepano- Asegurar una evaluación adecuada de la formación- Controlar la Corrosión- Facilitar la cementación y la completacion

DENSIDAD DEL LODO

Las presiones de la formación son contenidas por la presión hidrostática del lodo. La presión hidrostática del lodo es una función de la profundidad y de la densidad del lodo.

La densidad del lodo es el peso por unidad de volumen y puede expresarse de diversas maneras: libras por galón (ppg), libras por pie cúbico (pcf), peso especifico (sg) o kilogramos por metro cúbico (kg/m3).

La densidad del lodo se determina utilizando una balanza de lodos, la balanza consiste en una taza (tapa) montada en el extremo de un brazo graduado.Una cuchilla del brazo reposa sobre una base de apoyo. Una pesa corrediza sobre el brazo se acerca a la cuchilla o se aleja de ella hasta balancear la taza llena de lodo. La densidad del lodo se lee directamente.

LA BENTONITA

El termino “bentonita” fue sugerido por primera vez por Knight en 1898 para un material arcilloso de propiedades jabonosas procedente de “Benton Shale” (Wyoming, USA); en 1917 Hewett estableció que esta particular arcilla era un producto de la alteración de cenizas volcánicas siendo posteriormente definida por Ross y Shannon (1926) como : “Roca compuesta esencialmente por un material cristalino, semejante a la arcilla, formado por la desvitrificación y consiguiente alteración de un material ígneo vítreo, usualmente cenizas volcánicas o tobas. El mineral de la arcilla característico tiene habito micáceo y fácil expoliación, alta birrefrigerancia y una textura heredad de

las cenizas volcánicas o de la toba”. Esta definición es, no obstante restrictiva, por estar basada en criterios genéticos.

Actualmente, la definición mas ampliamente aceptada es la dad por R.E. Grim (1972): “Bentonita es una arcilla compuesta esencialmente por minerales del grupo de las esmectitas, con independencia de su génesis y modo de aparición”. Desde este punto de vista la bentonita es una roca compuesta por más de un tipo de minerales, aunque son las esmecticas sus constituyentes esenciales y las que le confiere sus propiedades características.

APLICACIONES INDUSTRIALES

Las bentonitas tienen unas propiedades tales que hacen que sus usos sean muy amplios y diversos. Según Kendal (1996) las aplicaciones industriales más importantes son:

Como aglomerante en arenas de fundición. Peletizacion de menas. Lodos de perforación. Alimentación animal. Absorbentes. Ingeniería Civil/Material de sellado.

CLASIFICACION INDUSTRIAL DE BENTONITAS

Los criterios de clasificación utilizados por la industria se basan en su comportamiento y propiedades fisicoquímicas; así la clasificación industrial mas aceptada establece tipos de bentonitas en función de su capacidad de hinchamiento en agua. Según este criterio Patterson y Murria (1983) distinguen tres tipos principales:

Bentonitas altamente hinchables o sodicas. Bentonitas poco hinchables o calcicas. Bentonitas moderadamente hinchables o intermedias.

Posteriormente Odom (1984), siguiendo los mismos criterios de clasificación las divide en:

Bentonitas sodicas. Bentonitas calcico-magnesicas. Tierras de Fuller o tierras acidas.

La diferencia entre ambas clasificaciones estriba en el hecho de que este último autor considera las Tierras de Fuller como materiales bentoniticos. En la literatura inglesa, generalmente, se considera a las tierras de fuller como bentonitas. Sin embargo, los especialistas norteamericanos, (como por ejemplo Patterson y Murray) consideran a las tierras de Fuller materiales estrechamente ligados a las bentonitas, pero no necesariamente de la misma composición.

La denominación Tierras de Fuller es muy antigua, aplicándose, en primer lugar, a un material empleado para purificar y abatanar la lana (de ahí que también se las denomine “Tierras de Batan”. A partir de la segunda mitad del siglo XIX se empezaron a utilizar en otros campos, especialmente en el procesado de aceites. Bajo la denominación de Tierras de Fuller se han comercializado arcillas de composición mineralogica diversa. Lo mas habitual es que esten compuestas por esmectitas calcicas y/o paligorskita, y, menos frecuentemente, sepiolita. Sin embargo, también se han comercializado Tierras de Fuller con ópalo como constituyente mas abundante, acompañado de montmorillonita, e incluso con halloysita y caolinita como otros minerales de la arcilla.

Otras clasificaciones se basan en criterios distintos, así, por ejemplo, en USA se utiliza el termino “Bentonitas de Sur” (Southerm Bentonites) como equivalentes de bentonitas calcicas, ya que la mayor parte de la bentonita calcica norteamericana se explota cerca del Golfo de Mexico, denominandose “bentonita tipo Wyoming” a las bentonitas.

PROPIEDADES DE LA BENTONITA

Hidratación e hinchamiento

La hidratación y deshidratación de la superficie ínter laminar son también propiedades únicas de las esmectitas, y cuya importancia es crucial en los diferentes usos industriales. Aunque hidratación y deshidratación ocurren con independencia del tipo de cation de cambio presente, el grado de hidratación si esta ligado a la naturaleza del cation ínter laminar y al a carga de la lamina.

La absorción de agua en el espacio ínter laminar tiene como consecuencia la separación de las laminas dando lugar al hinchamiento. Este proceso depende del balance entre la atracción electrostática cation-lamina y la energía de hidratación del cation. A medida que se intercalan capas de agua y la separación entre las laminas aumenta, las fuerzas que predominan son de repulsión electrostática entre laminas, lo que contribuye a que el proceso de hinchamiento pueda llega a disociar completamente unas laminas de otras. Cuando el cation ínter laminar es el Na, las esmectitcas tienen una gran capacidad de hinchamiento, pudiendo llegar a producirse la completa disociación de cristales individuales de esmectica, teniendo propiedades coloidales. Si por el contrario, tienen Ca o Mg como cationes de cambio su capacidad de hinchamiento será mucho mas reducida.

Plasticidad

Las esmecticas son eminentemente plásticas. Esta propiedad se debe a que el agua forma una envuelta sobre las partículas laminares de esmectica produciendo un efecto lubricante que facilita el deslizamiento de una partículas sobre otras cuando ejerce un esfuerzo sobre ellas.

La elevada plasticidad de las esmecticas es consecuencia, nuevamente, de su morfología laminar, extremadamente pequeño tamaño de partícula (elevada área superficial) y alta capacidad de hinchamiento.

Generalmente, esta plasticidad puede ser cuantificada mediante la determinación de los índices de Atterberg (Limite Liquido y Límite de Retracción). Estos límites marcan una separación arbitraria entre los cuatro estados o modos de comportamiento de un suelo solidó, semisólido, plástico y semilíquido o viscoso (Jiménez Salas, et al., 1975).

La relación existente entre el límite liquido y el índice de plasticidad ofrece una gran información sobre la composición granulométrica, comportamiento, naturaleza y calidad de la muestra. Existe una gran variación entre los límites de Atterberg de diferentes minerales de arcilla, e incluso para un mismo mineral arcilloso, en función del cation de cambio. En gran parte, esta variación se debe a la diferencia del tamaño de partícula y al grado de perfección del cristal. En general, cuanto mas pequeñas son las partículas y mas imperfecta su estructura, mas plástico es el material.

Viscosidad

Las propiedades de viscosidad de las bentonitas pueden variar o ser uniformes, dentro de un mismo yacimiento. Estas diferencias se deben a variaciones en el grado de dispersibilidad, fundamentalmente. Los mejores valores se dan cuando el recubrimiento sedimentario superior no es muy potente y una gran parte del Fe se encuentre en estado oxidado. Valores menos altos aparecen en yacimientos con más de 10 m de recubrimiento y bajo estado de oxidación del Fe.

Tixotropía

La tixotropía se define como el fenómeno consistente en la perdida de resistencia de un coloide, al amasarlo, y su posterior recuperación con el tiempo. Las arcillas tixotropicas cuando son amasadas se convierten en un verdadero líquido. Si, a continuación, se las deja en reposo recuperan la cohesión, así como el comportamiento sólido. Para que una arcilla tixotropica muestre este especial comportamiento deberá poseer un contenido en agua próximo a su limite liquido. Por el contrario, entorno a su límite plástico no existe la posibilidad de comportamiento tixotropico.

Lodos de perforación

A pesar de los importantes cambios que van sufriendo con el tiempo las formulaciones de los lodos de perforación, (comenzó a utilizarse a principios de siglo) este sigue siendo unos de los mercados mas importantes de las bentonitas.

Las funciones que debe cumplir el lodo son:

Extracción del ripio y limpieza del fondo del pozo Enfriamiento de la herramienta de perforación Control de presiones de formación y estabilización de la s

paredes. Mantenimiento en suspensión del ripio. Transmisión de potencia hidráulica al tricono. Soportar parte del peso de la sarta de perforación. Permitir la adición de agentes densificantes.

LA BARITINA

La baritina, sulfato de bario (BaSO, llamada también espato pesado, es un mineral muy denso (peso especifico = 4.6)), que se representa en habitus tabular, globular, prismático o terroso, y también en grandes masas de color blanco amarillento o gris claro.El elemento bario no se encuentra libre en la naturaleza, sino combinado la estado de sulfato, carbonato, silicato, etc., esta ampliamente distribuido en la corteza terrestre y también se encuentra en solución en las aguas del mas con un porcentaje en peso (%x10) de 0.05, que equivale a 235 toneladas de dicho elemento por milla cúbica de agua de mar, estimándose una cantidad de 77x109 toneladas en existencia en todo los océanos de la tierra.

UTILIZACION INDUSTRIAL

La utilización industrial de la baritina se inicio en los Estados Unidos y solo data desde mediados del siglo XIX; el primer uso que se le dio fue en la fabricación de pinturas como pigmento blanco y como material de relleno o sea como carga o agente inerte en las industrias manufactureras del papel, pinturas, caucho, linóleo, telas impermeables, marfil artificial, botones, etc; con el advenimiento de la industria de fabricación del “Litopon”, pigmento blanco cuya composición es de 70% de baritina y 30% de incompuesto de Zinc, el estado de sulfuro de oxido de dicho metal, aumento la demanda de baritina en los mercados de minerales no metálicos, la que continuo creciendo a medida que se descubrían nuevos usos para dicha materia prima en las industrias químicas y manufactureras, aunque después en algunos casos disminuyo el

consumo por haberse encontrado sustitutos mas convenientes, citaremos como ejemplo el mencionado producto “litopon”, que ha sido reemplazado en gran proporción en sus aplicaciones en la fabricación de pinturas por el oxido de titanio, que permite cubrir con ellas las mayores superficies.

Baritina.- Pertenece a la familia de los sulfatos, su formula es BaSO4, es de un mineral color blanco que puede pasar a amarillento o gris, de brillo vítreo inclinándose al resinoso, estructura tabula, globular, prismática o terrosa-Dureza: 3.5-Peso específico: 4.6

La Baritina no es un mineral de origen ígneo, ni tampoco ocurre en depósitos metamórficos de contacto, su forma mas común de yacer es como material de relleno en vetas y lentes en toda clase de rocas encajonantes, pero con mayor frecuencia en rocas sedimentarias, (caliza, dolomitas, arcillas), las condiciones en que se presentan la baritina, deben su origen a la circulación de aguas ascendentes saturadas de sulfato de bario, proveniente de la disolución de las rocas atravesadas en la que entra como componente. El sulfato de bario es soluble en el agua en la proporción de 2.9 miligramos por litro, siendo en mayor grado de solubilidad en aguas que contienen carbonatos alcalinos y cloruros. La baritina que se presenta con frecuencia como ganga en los depósitos de minerales metálicos, casi nunca tiene importancia económica; los yacimientos de baritina que se explotan con provecho, contiene poca cantidad de minerales de otra clase, y se encuentran en formaciones sedimentarias de todas las edades como vetas y lentes, con potencias que pueden alcanzar de 3 hasta 15 metros, la baritina se presenta a veces asociada con un poco de pirita, galena y blenda, cuya fuente original de sulfato de bario se coencuentran indudablemente en los sedimentos circunvecinos donde es parcialmente disuelto por las aguas meteóricas.

La baritina finamente pulverizada, es uno de los principales ingredientes que se usan en la complicada elaboración de los barros o lodos de perforación de determinada fluidez y densidad que se inyectan hasta el fondo del pozo por el interior de la columna de vástagos tubulares giratorio (drill pipe), en cuyo extremo inferior están colocadas las trépanos o brocas para la perforación mediante cuyo dispositivo circulan hacia arriba dichos barros fluidos accionados por bombas, por el espacio anular que existe entre la tubería y las paredes del hueco perforado, la que quedan enlucidas con una capa protectora que evita los derrumbes hasta que el pozo sea entubado, lo que además previene las urgencias sin control del petróleo, gas o agua, que se encuentren en el curso de la perforación; además lubrifica y enfría las broca o trépanos giratorios y arrastra hasta la superficie las partículas de rocas desmenuzadas por dichas herramientas. La baritina por su elevado peso específico aumenta considerablemente la densidad de dichos barros que se inyectan, sin aumentar demasiado su viscosidad, lo que permite contrarrestar la presión de los fluidos encontrados al atravesar las formaciones geológicas. Para aumentar adecuadamente la viscosidad de los barros, se agrega bentonita o caolín sustancias que tienen esa propiedad, aumentando la viscosidad se pueden mantener en suspensión las partículas desmenuzadas por la broca, evitando que se asiente en el fondo del pozo para controlar la viscosidad de la

inyección sin que se produzca su excesivo espesamiento, se adiciona el barro con sustancias químicas como soda cáustica, acido tanico y diversos fosfatos. En determinados casos especiales como los que se presentan al perforar ciertas arcillas o material bentonitico (heaving shales), que se hinchan y desintegran al entrar en contacto con el agua contenida en los barros corrientes, es necesario recurrir a fluidos circundantes especiales, como petróleos pesados y soluciones combinadas con cloruro y de silicato de sodio. Para aumentar aun mas la densidad de los barros, suele emplearse a veces la baritina en combinación con oxido de fierro (hematita), en determinadas proporciones. Los ingredientes básicos de los barros de perforación, son diferentes arcillas de tipo coloidal, que deben seleccionarse según sus propiedades para alcanzar resultados satisfactorios en los diversos casos.

El referido procedimiento de perforación rotativa para pozos de petróleo, fue originalmente ideado y puesto en practica en 1900, pero solo fue en 1926 que la bariod Sales Division de la National Lead Co. De Estados Unidos, puso en el mercado un producto patentado con el nombre de baroid que consistía en baritina molida y tamizada con las especificaciones requeridas para las operaciones de perforación rotativa de pozos de petróleo, material que tuvo gran aceptación generalizándose pronto su uso en los campos petroleros. La industria petrolera en el Perú que hasta 1934 había empleado exclusivamente el sistema “estándar” de percusión a cable, adopto el sistema rotativo a partir de ese año; fue la International Petroleum Co. Ltd. la que perforo el primer pozo por medio de un equipo rotativo empleando baroid importado. Por algún tiempo la citada compañía uso ambos sistemas de perforación, aumentando gradualmente el numero de sus equipos rotativos en el trabajo, hasta dejar casi completamente desplazadas las perforaciones ejecutadas por el método convencional de percusión a cable.

4.- PROCEDIMIENTO

La densidad o peso específico de un determinado volumen de líquido se determina usando la balanza de lodos. La cual es calibrada por un procedimiento muy simple en el que se vierte agua dentro de la copa de la balanza hasta el ras luego se tapa y se deja que el fluido escape por el orificio superior debido al peso del agua en la balanza esta debe marcar 8.337 lb/gal y la burbuja debe estar en el centro del nivel una vez hecho podemos saber que la balanza esta correctamente calibrada.

Calibrado el instrumento se paso a mezclar los componentes del lodo, se peso 22.55 gramos de bentonita y 40.086 gramos de baritina en la balanza electrónica, luego se coloco los 350 cm3 de agua dentro del vaso de lodo y se coloco dentro del agitador y vaciando la barita y después bentonita, a fin de que no se formen grumos se vacio lentamente y al centro del recipiente.

Después de obtener el lodo se vertió en la parte inferior de la hidrómetro y se cerro luego se coloco dentro del tubo con agua y se solto dejando flotanto el hidrómetro después que se estabilizo se obtuvo una lectura de 9.4 lb/gal después se lleno la copa dentro de la balanza y se procedió de la misma manera que en la calibración con la salvedad que se debe tomar un valor cercano al del hidrómetro y cambiarlo para estabilizar la balanza.

5.- REQUISITOS MÍNIMOS PARA QUE LA BARITA ENTRE A POZO

6.- CALCULOS Y RESULTADOS

Datos obtenidos con la balanza electrónica:

Masa de bentonita: 22.55 g. Masa de baritina (48422): 40.086 g. Volumen de agua: 350 ml.

Utilizando la balanza ya calibrada se obtuvo una densidad de 9.25 lb/galUtilizando el hidrómetro se obtuvo una densidad de 9.3 lb/gal

Las muestras de los otros grupos:

Masa de Barita Masa de Bentonita Volumen de agua Densidad en la balanzas Densidad en el hidrómetro

20 g 22.5 g 350 ml 40 g 48422 22.5 g 350 ml 9.25 lb/gl 9.3 lg/gl

50 g api 48100 22.5 g 350 ml 9.4 lg/gl 9.35 lg/gl45 g 22.5 g 350 ml 9.98 lb/gl 9.4 lb/gl

7.- OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES

Se debe de asentar con un movimiento giratorio firme la cubierta de la copa de la balanza de lodo ya que así se asegurara que no se presente gas atrapado dentro de la copa.

Cuando se coloca el hidrómetro dentro del tubo se debe tener en cuenta que el nivel del agua para no derramarla

Al colocar el hidrómetro se debe hacer un giro en el centro del tubo con el fin de que no se pegue a las paredes

8.- CONCLUSIONES

Todo lodo es una mezcla, la densidad de la mezcla es la suma de densidades de los materiales. La densidad del lodo depende directamente de las densidades de los componentes. La idea que surge de esto es la del equilibrio de masa.

La adición de material pesado, o más precisamente, material denso aumenta la densidad del lodo, sin embargo puede tener un efecto significativo en el volumen.

Se logro determinar el peso del lodo de aproximadamente 9 lb/gal Las diferentes baritinas independientemente de las diferentes masas que se

viertan al solvente tienen un efecto distinto sobre la densidad del lodo

9.- Referencias de Internet y Bibliografía

1. www.ucm.es/info/crismine/Pagina%20web/BENTONIT.htm 2. Manual IMCO de la Biblioteca de la Facultad de Ingeniería de Petróleo y Gas

Natural.3. Introducción a Fluidos de Perforación Universidad Nacional del Salta –Mi

SWACO – HSE Noviembre del 20084. http://www.prodexa.com.mx/barita.htm