Fluidos de perforacion

fluidos de perforacion petrolera por el ingeniero esteban casanova

1. Principios BásicosPrincipios Básicos
dede
Fluidos de PerforaciónFluidos de Perforación

2. RESEÑA HISTORICA
* Heggen y Pollard (1914): Mezcla de agua con material arcilloso
que permanece suspendido durante un tiempo considerable.
* Lewis y Mc Murray (1916): Mezcla de agua con materiales
arcillosos que permanece suspendido durante un tiempo
considerable y que esta libre de arena, ripio o materiales
similares.
* Strond (1921): Establece el uso de aditivos y la utilización
de Barita y Oxido de Hierro para densificar el lodo.
* En 1929 aparece la Bentonita como agente suspensivo y gelificante
* En 1931, Marsh mide la viscosidad del lodo mediante el
Embudo Marsh.
* En 1937 se utiliza el Filtroprensa para medir la perdida de
filtrado del lodo

3. Remoción de los cortes o ripios
Control de las presiones de formación.
Limpiar, enfriar y lubricar el equipo de perforación.
Proteger la productividad de la formación.
Prevenir derrumbes de formación.
Suspender solidos cuando se detiene la circulación.
Transmitir energía hidráulica a través de la mecha.
Ayuda a soportar el peso de la sarta de perforación.
Ayuda en la evaluación de formaciones (Registros).
Sirve como transmisor de información sobre la
perforación
Funciones de los Fluidos de Perforación

4. Densidad del ripio
Tamaño de las partículas o derrumbes.
Forma de la partícula.
Densidad del fluido.
Viscosidad del fluido.
Velocidad del fluido en el espacio anular
Depende de:
Si no se cumple lo anterior, se tendrán problemas operacionales como
puentes, rellenos, arrastre o pega de tubería.
Veloc. anular debe ser mayor que la Veloc. de caída del ripio
Remoción de los cortes o ripios
33

5. Arremetida
Control de presiones de formación
Perdida de CirculaciónSi Dlodo > Pformación
Si Dlodo < Pformación
SUBNORMAL ANORMALNORMAL
0.433
Gradiente de presión
del agua dulce
0.466
Gradiente de presión
del agua salada
Ph = 0.052 * Dl * H ( Lpg )

6. Limpiar, enfriar y lubricar el equipo
Lodo
Limpieza de la mecha
Limpieza del
ensamblaje de fondo
Enfriamiento del equipo
Lubricación (aceites, surfactántes, detergentes )

7. Proteger la productividad de la formación
DAÑO A LA FORMACION
Invasión del filtrado
Reducción de la Permeabilidad
Lodo
Baja o ninguna productividad

8. Prevenir derrumbes de formaciónPrevenir derrumbes de formación
Presión Hidrostática ayuda a mantener las paredes del pozo
DERRUMBES
Ruptura de la formación
(mecha, estabilizadores, etc)
Erosión del hoyo por
alta Velocidad Anular
Formaciones con
buzamiento alto
Reacciones osmóticas
en la formación
Formaciones
con presiones anormales
Formaciones
de sales solubles

9. Densidad de las partículas.
Densidad del lodo
Viscosidad del lodo.
Resistencia de gel del lodo
Durante los cambios de mecha, paradas de bombas de
lodo, los ripios deben estar suspendidos.
La tasa de asentamiento de los ripios dependerá de:
Suspender los solidos perforadosSuspender los solidos perforados

10. Depende de un buen diseño hidráulico
Fluido a alta velocidad
Fuerza de impacto
Remoción de cortes
Mejor limpieza del hoyo
Mayores tasas de penetración
Transmitir energía hidráulica a través de la mecha
Jets de la mecha

11. Ayuda a soportar el peso de la sarta de perforación
Factor de flotación
Disminuye el peso de la tubería
Evaluación de formaciones: ( Registros )
Hay que mantener ciertas propiedades del lodo como:
* Viscosidad
* Filtrado
* Calidad de los fluidos
* Revoque
Ff = (1-Dl / 65.4)Ff = (1-Dl / 65.4)

12. Durante la perforación:
. Conductividad
. Contenido de gas
. Análisis de muestras
Después de la Perforación:
. Registros Eléctricos
Transmitir e informar sobre la perforación

13. Composición de los lodos
Fase liquida + Fase solida + Aditivos Químicos
Agua o Aceite
Reactivos (Arcillas comerciales, solidos perforados
hidratables)
Inertes (Barita, solidos perforados no reactivos,
Arena, Calizas, Sílice, Dolomita)
. Fosfatos
. Pirofosfatos
. Tetrafosfatos
. Taninos
. Corteza de Mangle
. Quebracho
. Lignitos
. Lignosulfonatos
. Bicarbonato deSodio
. Soda Caustica
. Humectantes
. Surfactantes
. Otros

14. Reología de los Fluidos
Deformación de la Materia
Todas las propiedades de flujo dependen de la interrelación de
la Tensión de Corte y la Velocidad de Corte
Velocidad de corte Tensión de corte

15. Tipos de Fluidos
Velocidad de Corte
Newtonianos:
“ Son aquellos donde la tensión de corte es directamente
proporcional a la velocidad de corte “
Agua, Diesel, Glicerina
m
T
e
n
s
i
ó
n

d
e

C
o
r
t
e Tc= m x Veloc.corte
donde:
m: Pendiente
Viscosidad Constante
Tc: Tensión de Corte

16. No-Newtonianos:
“ Requieren cierta Tensión de Corte para adquirir movimiento”
(Punto Cedente verdadero)
T
e
n
s
i
ó
n

d
e

C
o
r
t
e
Velocidad de Corte Viscosidad Variable
depende de :
. Tipo de Fluido
. Veloc de Corte
Visc= Tc / Vc
Tipos de Fluidos

17. Modelos Reológicos:
Permiten explicar el comportamiento del lodo
Modelo Plástico de Bingham
Viscosímetro de dos velocidades
300600
Viscosidad Plástica
VP= F600 - F300
Punto Cedente
PC= F300 -VP

18. Modelo de la Ley Exponencial
A velocidades bajas de corte, las Tensiones de Corte
obtenidas del modelo de Bingham superan las verdaderas
Tensiones de Corte verificadas en el lodo
Este modelo esta basado en las lecturas obtenidas a 300
y 600 rpm cuyos valores corresponden a la siguiente
ecuación:
F = K x P
n
K: Factor de consistencia del flujo laminar
n: Indice de Comportamiento del flujo laminar

19. Factores que afectan a la reología
Temperatura Viscosidad
Presión: Poco afecta a las propiedades reológicas
Tiempo
Gel
Deposición
de solidos
Degradación del Lodo

20. Propiedades básicas de los fluidos
Viscosidad Plástica:
Resistencia al flujo causada por fricción mecánica
entre los sólidos presentes en el fluido
AFECTADA
POR
Concentración de solidos
Tamaño y forma
de las partícula
Viscosidad de
la fase fluida

21. Densidad del lodo
“ Peso por unidad de volumen, esta expresado en libras
por galón, libras por pie cúbico, etc ”
Depende del fluido usado y del material que se le adicione
La densidad del lodo debe ser suficiente para
contener el fluido de la formación, pero no
demasiado alto como para fracturar la formación

22. Punto Cedente ( Yield Point )Punto Cedente ( Yield Point )
“ Resistencia al flujo causada por las fuerzas de atracción entre
partículas sólidas del lodo. Es consecuencia de las cargas
eléctricas sobre la superficie de las partículas dispersas en la
fase fluida”
DEPENDE
DE
Concentración iónica de las sales
contenidas en la fase fluida
Cantidad de Solidos
Tipo de solidos
y cargas eléctricas

23. Resistencia GelResistencia Gel
Fuerza mínima o Tensión de Corte necesaria para
producir un deslizamiento en un fluido después que
este ha estado en reposo por un período determinado
de tiempo”
Problemas
El no control
Retención de gas
Presiones elevadas para iniciar
circulación
Aumento de la velocidad de
sedimentación de las arenas
y solidos
Succión en la sarta de
perforación

24. Perdida de Filtrado
LODO
Formación
Filtrado
Depende de:Depende de:
. Propiedades de las rocas perforadas . Propiedades de las rocas perforadas
. Permeabilidad
Tipos de filtración: Estática y Dinámica
Revoque

25. Tipos de Fluidos de Perforación
Para un buen diseño del lodo de perforación, se
deben considerar los siguientes factores:
. Selección adecuada del fluido.
. Mantenimiento adecuado ( propiedades )
. Planificación: Tipos de formación, equipos de superficie,
disponibilidad de aditivos, etc.
Base Agua
Base Aceite
Aireados

26. Fluidos Base AguaFluidos Base Agua
La fase continua es el agua y es el medio de
suspensión de los solidos
Existen varios tipos:
Lodo de Agua Fresca - no Inhibido
Fase acuosa con sal a bajas
concentraciones y Arcilla Sódica.
Son simples, baratos. aditivos
viscosificantes, dispersantes,
Soda Cáustica y Barita.
Diseñados para perforar zonas
arcillosas hasta 220 °F.
Muy sensibles a contaminaciones

27. Este sistema esta conformado de la forma siguiente:
• Agua Fresca
• Nativos.
• Agua - Bentonita
• Con Taninos
• Fosfatos
Lodos de Agua Fresca
. Formaciones duras
. Agua dulce o salada
. Altas velocidades anulares para remoción de solidos
Lodo de Agua Fresca -no Inhibido

28. Se forman al mezclar agua con Arcillas y Lutitas de
las formaciones superficiales.
Lodos Nativos
Son utilizados para perforar
zonas superficiales (hasta 1500)
Densidades hasta de 10.0 Lpg
No requiere de control
de filtrado
Propiedades reológicas
no controladas
Continua dilución para
prevenir floculación
Se deben controlar los sólidos
para un efectivo mantenimiento
Requieren de continua dilución

29. Lodos de Agua-Bentonita
Es un lodo de inicio de la perforación, constituido por
agua y Bentonita recomendado para ser usado hasta
4000´
Características:
• Buena capacidad de acarreo
• Viscosidad controlada y control de filtrado
• Buena limpieza del hoyo
• Bastante económico.

30. Lodos con Taninos - Soda Cáustica
Es un lodo base agua con Soda Caustica y Taninos como
adelgazantes, pude ser de alto como de bajo Ph. No se
utilizan con frecuencia, son afectados por la
temperatura
Lodos de Fosfatos
Es un lodo tratado con adelgazantes ( SAAP ),
• Utilizado en formaciones con poca sal o Anhidrita
• Máxima temperatura de uso: 180°F
• Bajo costo y simple mantenimiento
• Muy susceptible a contaminaciones

31. Lodos de base agua Inhibidos
Su fase acuosa permite evitar la hidratación y desintegración de
Arcillas y Lutitas hidratables mediante la adición de Calcio
Calcio (Cal, Yeso y CaCl
2
)
Arcillas Sódicas
Mecanismo :
Plaquetas de Arcilla
Liberación
de agua
Reducción del
tamaño partícula
Reducción
viscosidad
Lodo con mayor cantidad de sólidos
y propiedades reológicas mínimas
Arcillas Cálcicas

32. Lodos tratados con Cal
Utilizan la Cal ( Ca (OH)
2
) como fuente de Calcio
soluble en el filtrado.
Composición:
• Soda Cáustica
• Dispersante Orgánico
• Cal
• Controlador de filtrado
• Arcillas comerciales
* Pueden emplearse en pozos cuya temperatura no sea mayor de 250 °F
* Soportan contaminación con sal hasta 60000 ppm

33. Lodos tratados con Yeso
Utilizan el Sulfato de Calcio como electrolíto para la
inhibición de Arcillas y Lutitas hidratables.
Caracteristicas:
• Ph entre 9.5 y 10.5
• Concentración de Calcio en el filtrado de 600 a 1200 ppm
• Tienden a flocularse por altas temperaturas
• Resistentes a la solidificación por temperatura

34. Lodos tratados con Lignosulfonato
Se adhieren sobre la partícula de Arcilla por atracción de
valencia, reduciendo la fuerza de atracción entre las mismas y
así reducir la viscosidad y la fuerza gel
Ventajas de su aplicación:
• Mejora las tasas de penetración
• Menor daño a la formación
• Resistentes a contaminación química
• Fácil mantenimiento
• Control de propiedades reológicas
• Estabilidad del hoyo
• Compatible con diversos aditivos
• Controlador de filtrado

35. Lodos en agua salada
Son aquellos que tienen una concentración de sal por
encima de 10.000 ppm hasta 315.000 ppm
La sal aumenta el poder de inhibir la hidratación de Arcillas
Se deben utilizar para:
• Perforar zonas con agua salada y Domos de sal
• Evitar la hidratación de Arcillas y Lutitas hidratables

36. El uso de este tipo de lodo puede prevenir problemas originados por:
Lodos de bajo coloide
Son lodos de base agua con Polímeros como agentes
viscosificantes y con bajo contenido de Bentonita o
compuesto coloidal
• Presencia de formaciones solubles de Calcio
• Intercalaciones de sal
• Flujo de agua salada
• Contaminación con CO2
• Presencia de formaciones solubles de Calcio
• Intercalaciones de sal
• Flujo de agua salada
• Contaminación con CO2
Permite obtener grandes beneficios como son:
• Incremento de la tasa de penetración
• Mejora la limpieza del hoyo
• Mejora la estabilidad del hoyo

37. Lodos Base Aceite
Emulsion: Dispersión de partículas finas de un liquido en otro liquido
Lodo Inverso
Agua ( fase dispersa) Aceite ( fase continua )
No se disuelve en el aceite
pero permanece suspendida
en forma de gotas pequeñas EMULSION ESTABLE
EMULSIFICANTE

38. Son resistentes a altas temperaturas, no son afectados por
formaciones solubles.
Lodos Base Aceite
Bajas perdidas de fluido
Prevenir atascamiento
diferencial
Reducción de torques en
pozos direccionales
Controlar y prevenir la
hidratación de Arcillas y Lutitas
Toma de núcleos
Perforación en
ambientes corrosivos
Perforación de
formaciones de baja presión
Ventajas

39. Lodo Base Aceite
Componentes:
• Aceite ( Gas-oil)
• Agua
• Emulsificantes
• Controlador de Filtrado
• Arcillas Organofílicas
• Humectantes
• Espaciadores
• Cloruro de Calcio

40. Problemas de campo -Análisis y Soluciones
* Degradación de componentes químicos (aditivos)
. Degradación bacteriana
. Degradación Térmica
. Degradación por Oxidación ( Oxigeno )
* Contaminación de fluidos de perforación
. Con Cemento
. Lodo cortado por gas
. Con agua salada o sal
. Con Calcio
. Gelatinización por alta temperatura
. Con Anhidrita y Yeso
. Con solidos

41. ContaminacionesContaminacionesContaminacionesContaminaciones
Cemento: Producto de las Cementaciones de
los revestidores. Es controlable y puede
prevenirse con antelación.
Sintomas:
. Incremento del ph
. Aumento tanto de Punto Cedente como del Gel
. Incremento de filtrado y presencia de Calcio en el
. Revoque grueso y esponjoso
. Alta viscosidad de embudo
Tratamiento:Tratamiento:
Añadir compuestos químicos que reaccionen con el Ion Calcio
y puedan removerlo como un precipitado insoluble.
Pretratamiento: con 0.5 a 0.75 lbs/bl de Bicarbonato de Sodio.

42. Lodo cortado por gas
Se produce cuando se perfora una zona de gas muy
porosa a altas tasas de penetración. El gas al
expandirse produce cambios en la Densidad del lodo.
Síntomas:
. Aumento del volumen del lodo en los tanques
. Presencia de burbujas en los tanques
. Olor a gas en lineas de flujo
. Disminución de la densidad del fluido
Tratamiento:
. Detener la circulación y circular el pozo (columna estabilizada)
. Aplicar tratamiento químico para mantener reología
. Reanudar lentamente circulación y continuar perforando

43. Agua salada: (Perforación de una arena de agua salada )
Problemas que puede causar en el lodo
• Aumento del volumen de fluido en el sistema
• Disminución de pH
• Incremento de las propiedades reológicas
• Aumento de la perdida de filtrado
• Aumento de los Cloruros
• Disminución de la Alcalinidad del lodo
Tratamiento
• Incrementar la densidad del lodo
• Añadir controlador de filtrado
• Añadir Soda Caustica para subir pH
• Agregar dispersante
• Diluir si es necesario

44. CO
2
y H
2
S
Forman soluciones ácidas en el agua. Floculan las Arcillas
y producen alta corrosión
H S
2
• Incoloro
• Mas pesado que el aire
• Olor a huevo podrido
• Soluble en agua
• Irritante y altamente tóxico
Síntomas:
• Aumento del volumen de los tanques
• Disminución de la densidad del lodo
• Disminución de la eficiencia volumétrica de las bombas
• Fuerte olor a gas
Tratamiento:
• Degasificar
• Mantener baja resistencia de gel
• Mantener densidad del lodo en tanque activo

45. Anhidrita y Yeso
Anhidrita es Sulfato de Calcio y el Yeso es Sulfato de Calcio con agua
Síntomas
• Disminución de pH
• Disminución del Mf
• Disminución del Pf
• Aumento del Ión Calcio en el filtrado
• Alta viscosidad
• Alta perdida de filtrado
Tratamiento:
Agregar Soda Ash ( 0.093 Lbs/bl para precipitar 100 ppm de Calcio)
CaSO
4
+ Na
2
CO
3
------------- CaCO
3
+ Na
2
SO
4
Anhidrita Soda Ash

46. Carbonatos y Bicarbonatos
Se pueden originar:
• Al reaccionar el Dioxido de Carbono ( CO
2
) con los iones Oxidrilo (OH)
• Sobretratamiento del lodo con Carbonato y/o Bicarbonato de Sodio
• Al mezclar Arcillas Sódicas
• Al agregar Barita contaminada con Carbonatos
¿ Como identificarlos?
• Bajo pH, Pf y Mf
• Alta perdida de filtrado
• Altos Geles
• No hay presencia de Calcio
en el filtrado
Carbonatos Bicarbonatos
• Bajo Pf y alto Mf
• Alto Filtrado
• Altos geles
• No hay presencia de Calcio
en el filtrado

47. Los problemas asociados con Carbonatos y Bicarbonatos se pueden
diagnosticar con un analisis de Alcalinidad del filtrado Pf y Mf
Pf : Fenoltaleina
Mf : Anaranjado de Metilo
(indicadores)
H
2
SO
4
como solucion tituladora
Pf: cc de H
2SO
4 (N/50), requeridos por cc de filtrado para llevar el pH
del lodo a 8.3
Mf: cc de H
2
SO
4
(N/50), requeridos por cc de filtrado para llevar el pH
del lodo a 4.3
Lodo + Fenoltaleina --------- color rosado ( Iones OH
-
y CO
3
)
al titular con H
2
SO
4
y obtener el color original del filtrado
Bicarbonatos

48. en este momento el pH del filtrado es 8.3.
Pf = cc de H
2
SO
4
utilizados
Luego se agrega Anaranjado de Metilo a la misma muestra
obteniendose un color naranja que indica la presencia de iones CO
3
y
HCO
3
, se titula con H
2
SO
4
y cambia a color rosado salmón pH = 4.3
Mf : Cantidad de H
2
SO
4
utilizados + cc de H
2
SO
4
para obtener el Pf
La cantidad de Acido Sulfúrico utilizada para determinar
el Pf, es la requerida para convertir los Carbonatos a
Bicarbonatos; y la empleada para titular del Pf al Mf, es
la necesaria para convertir los Bicarbonatos a Dioxido de
Carbono y agua
Bicarbonatos

49. Cálculos Básicos para Fluidos de Perforación
Volumen de lodo en el sistema:
Volumen tanques + volumen hoyo
Rectangular Cilindrico
L x A x P (pies)
Vol (bls) =
L
A
P
P
D
Vol (bls) =
D x 3.1416 x P (pies)
5.615 pie / bl 5.615 pie / bl4 x4 x
5050
33
33

50. Volumen del hoyo:
Se considera que el diámetro del hoyo es igual al diámetro de la mecha
Vol. del hoyo =
2
Volumen en el revestidor :
Diámetro ( pulg ) x Longitud ( pies ) x 0.000972
Diametro ( pulg ) x Longitud ( pies ) x 0.000972Vol revest.=
2
Diametro : Diametro interno del revestidor
( bls )
5151

51. Capacidad y desplazamiento de la tuberia de perforacion
Vol. total del hoyo = ( Vol. hoyo abierto ) + ( Vol. del revestidor )
( sin tuberia )
Vol. total del hoyo = ( Vol. hoyo ) + ( Vol. revest ) - (Desp. tub. perforacion )
abierto( con tuberia )[ [ ]]
cont.....
5252

52. Dint.
D ext.
Vol. Desplaz. = ( Dext ) - ( Dint. ) x long ( pies ) x 0.000972
2 2
[[ ]
Volumen de desplazamiento de la tuberia:
5353

53. Volumen Anular:
Es el volumen que se encuentra entre la tubería de perforación y las paredes
del hoyo y/o revestidor
Vol anular= vol. hoyo - Capac - Dezpl.
c /tub tub. tub

Vol. anular= ( Dhoyo - Dtub ) x long x 0.000972
2 2
Va
5454

54. Caudal de la Bomba:
Se obtiene mediante el diametro de la camisa y la longitud de la
embolada , convirtiendolo en barriles por embolada y multiplicandolo
por las emboladas por minuto.
Q = ( D piston x long. piston x 0.003238 ) x (emboladas por minuto)
2
Q : Bls/min o Galones/min
5555

55. Tiempo de Circulación:
Fondo arriba:
Tfa =
Volumen anular (bls)
Caudal bomba (bls/min)
Tiempo de circulación:
Tc =
Vol. hoyo - Desp. tubería
Caudal de la bomba
Circulación completa:
Volumen total lodo,(bls)
Caudal bomba, (bls/min)
Tcc =
5656

56. Velocidad Anular:
Se expresa en pies /min y se determina con el Caudal de la bomba
y el volumen anular
V anular =
(Bls/min)
1029
(D hoyo ) - (D tub )
2 2
5757

57. Velocidad Critica:
Es la velocidad anular a la cual el modelo de flujo cambia de Laminar
a Turbulento
Vc (dentro tub.) =
1.08 VP + 1.08 VP + 12.34 d Pc Pl
2 2
Pl d
1.08 VP + 1.08 VP + 9.26 (dh-dt) Pc Pl
2 2
Pl (dh - dt)
Vc (espacio anular) =
Donde: Vp : Viscosidad Plastica
d : Diametro interno tuberia, pulgada
Pc : Punto Cedente
Pl : Densidad del lodo, lbs/gal
dh : Diametro hoyo, pulgadas
dt : Diametro externo,pulgadas
5858