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2. FLUIDOS DE PERFORACIÓN

2.1. OBJETIVOS DE LOS FLUIDOS DE PERFORACIÓN

El objetivo de una operación de perforación es perforar, evaluar y terminarun pozo que producirá petróleo y/o gas eficazmente. Los fluidos de perforacióndesempeñan numerosas funciones que contribuyen al logro de dicho objetivo. Laresponsabilidad de la ejecución de estas funciones es asumida conjuntamente porel ingeniero químico y las personas que dirigen la operación de perforación. Eldeber de las personas encargadas de perforar el agujero - incluyendo elrepresentante de la compañía operadora, el contratista de perforación y lacuadrilla del equipo de perforación - es asegurar la aplicación de losprocedimientos correctos de perforación. La obligación principal del ingenieroquímico es asegurarse que las propiedades del lodo sean correctas para elambiente de perforación especifico. El ingeniero químico también deberárecomendar modificaciones de las prácticas de perforación que ayuden a lograrlos objetivos de la perforación.

El uso de un fluido de perforación para sacar los cortes del agujero fueconcebido inicialmente por Fauvelle, un ingeniero Francés, en 1845. El término“Fluidos de Perforación” describe un amplio rango de fluidos, líquidos y gasesusados en la perforación para obtener propósitos específicos. Los fluidos puedenser aire, gas natural, agua, aceite o una combinación de líquidos usados conaditivos químicos especiales. Los fluidos de perforación están diseñados pararesolver o minimizar muchos problemas de la perforación.

OBJETIVOS DE LOS FLUIDOS DE PERFORACIÓN

Los fluidos de perforación tienen diferentes propósitos y dentro de ellos seencuentran los siguientes:

l Enfriar y lubricar la sarta de perforación y la barrena.l Controlar las presiones de formación.l Limpiar el fondo del agujero.l Llevar los recortes a la superficie.l Mantener la integridad del agujero.l Ayudar a la toma de registros geofísicosl Minimizar la corrosión de la T.P. y de la T.R.l Mejorar la velocidad de perforación.

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2.2. TIPOS DE FLUIDOS DE PERFORACIÓN

En general los fluidos de perforación pueden dividirse en cuatrocategorías: los base agua, los base aceite, los sintéticos y los gases. A su vezcada uno de ellos tiene variantes en función de su propósito y aditivos que seusan. En este capítulo sólo nos referiremos a los fluidos base agua y los baseaceite, ya que son los más comunes.

FLUIDOS BASE AGUA

Un fluido de control es una suspensión de sólidos, líquidos o gases en unliquido que se emplean en los campos petroleros para cumplir ciertas funcionesespecíficas. El agua dulce también se usa como fluido y no lleva mezcladoningún otro elemento.

Los fluidos de control base agua, por su bajo costo en la preparación,manejo y mantenimiento son los comúnmente usados; debiéndose extremarcuidados en aquellos que utilizan base agua dulce, ya que la perdida de esta,dañará el yacimiento.

Se clasifican en:

l El agua dulce.

l Las soluciones: Son compuestos de productos químicos que no se separan delagua. Entre ellas se encuentran las SALMUERAS, que pueden ser de clorurode sodio, cloruro de calcio, cloruro de potasio y otras. Estas soluciones salinasse mezclan con facilidad, no existe el peligro de incendio o explosión. Sinembargo en algunos lugares pueden constituir un riesgo para el entornoecológico.

l Las emulsiones: Son fluidos cuya fase continua es el agua y la discontinuidad oemulsificante es el aceite.

l Los lodos: formados por una suspensión de sólidos, como son las arcillas, labarita y los ripios de la formación en cualquiera de los líquidos anteriores.

FLUIDOS BASE ACEITE

Por muchos años el diesel ha sido el principal fluido usado como fasecontinua en este tipo de lodos; sin embargo, debido a la contaminación que puederesultar de éste, principalmente en operaciones marinas, ha propiciado el uso deaceites minerales o aceites parafinicos que son menos contaminantes.

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Se clasifican en:

l El aceite es su componente principal y como máximo debe contener menos deun 10 % de agua emulsionada en una composición general. Este fluido podráser aceite mineral o diesel. Deberán tenerse los equipos adecuados, enlugares de fácil acceso, para extinguir fuego en caso de presentarse.

l Emulsión inversa: En estos fluidos el aceite es la fase continua y el agua dulceo salada es la fase discontinua. En su composición el contenido de agua esmayor al 10 % y su estabilidad dependerá de uno o más de los siguientescomponentes: agentes de suspención, agentes humectantes y emulsificantes,agentes de control de filtración, reductores de viscosidad, cantidad y tipo dematerial sólidos para aumentar su densidad. La relación aceite – agua es unparámetro físico – químico que aplica en los sistemas de fluido de emulsióninversa y se interpreta como la existencia de aceite y agua en el sistema, sinconsiderar la fase sólida.

Este parámetro esta en función de:

- La formación a contactar y no depende de la densidad.- Los contaminantes posibles a atravesar.

Para atravesar arenas no consolidadas se recomienda perforar con unarelación aceite – agua de 70/30 – 75/25.

Para perforar formaciones lutiticas se recomienda una relación 78/22 – 90/10.

Para perforar rocas carbonatadas se recomienda una relación 70/30 – 80/20.

l Emulsión directa: En este caso el agua constituye la fase dispersa (continua) yel aceite forma la fase discontinua. Al agregarle determinados agentes desuspensión permiten elevadas viscosidades y poder de suspención, para locual deberán atendérseles constantemente en su tratamiento, evitandodurante su preparación que no se excedan materiales sólidos que provoquetaponamiento en la formación.

2.3. FILTRACIÓN DE ALTA TEMPERATURA, ALTA PRESIÓN (ATAP)

La prueba de filtración de alta temperatura, alta presión se realiza pararevisar la emulsión del fluido, para saber la cantidad de filtrado que puedeproporcionar el fluido en lodos de emulsión inversa a esas condiciones y paraverificar el espesor de enjarre que existe en la pared del pozo.

La prueba consiste en determinar la velocidad a la cual se fuerza un fluidoa través del papel filtro. Es realizada bajo las condiciones de tiempo, temperatura ypresión especificadas. Después de la prueba se mide el espesor sólido (en

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milímetros) que se ha asentado en el papel filtro. Dicha prueba se realiza con unfiltro de prensa de ATAP, que se compone de:

v Una resistencia exterior calefactora con termostato.v Un conjunto de platillo para la celda.v El conjunto primario de presión.v El receptor de contrapresiòn.

La capacidad de la celda de lodo es de 160 ml con una superficie de filtrode 3,5 pg2. El receptor de filtrado tiene una capacidad de 15 ml, y se puede usarun tubo de vidrio para una contrapresión de hasta 100 psi. Si se usa unacontrapresión mayor, el tubo de vidrio debe ser reemplazado por un tubo de aceroinoxidable.

Una vez que el equipo haya alcanzado una temperatura de300°F se aplica una presión de 600 psi en la parte superior del equipo y en laparte inferior, donde se coloca el tubo de contrapresión, una presión de 100 psipara tener una presión diferencial de 500 psi en el sistema durante 30 min.Transcurrido ese tiempo, se descarga el filtrado dentro del cilindro graduado y selee la indicación de volumen. El valor a registrar debe ser el doble de la indicación.

Estas pruebas se realizan bajo los procedimientos del Instituto Americano delPetróleo (API).

2.4. TIPOS DE DESGASIFICADORES Y SU FUNCIÓN.

Los desgasificadores a veces son esenciales en el proceso de remociónde sólidos.

La vibradora remueve una buena parte del gas de un lodo cortado,especialmente si el punto cedente es tan bajo como 10 libras por 100 piescuadrados.

Es generalmente aceptado entre profesionales de perforaciónexperimentados que no es necesario equipo especial desgasificador si el puntocedente del lodo es de 6 ó menor.

Los hidrociclones son alimentados por bombas centrífugas. Las bombascentrífugas para lodos de aceite abrasivos no son capaces de mantener sueficiencia cuando bombean lodos cortados por gas. Los hidrociclones nofuncionan apropiadamente si la cantidad bombeada no es constante o si hay gas oaire en el lodo. Por lo tanto el desgasificador deberá instalarse entre la trampa dearena y el primer hidrociclón.

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TIPOS DE DESGASIFICADORES

La selección del desgasificador dependerá de las condiciones deoperación. Existen desgasificadores que pueden procesar el lodo de perforacióncon gas desde 0 a 300 galones por minuto, ó 0 a 500 galones por minuto ó de 0 a1,000 galones por minuto, aunque hay otros desgasificadores que procesan adiferentes rangos, éstos son los más usados.

El espacio disponible en el sistema de circulación del equipo es otro factorpara seleccionar un desgasificador. Algunos modelos se pueden instalar dentrode las presas de lodo, obviamente el espacio requerido es mínimo, otros modelospueden montarse en una placa de acero a un lado o sobre la presa de lodo; lagran mayoría de los desgasificadores son equipos completos montados en supropia estructura, por lo que siempre debe de tenerse en cuenta el espaciopropicio para un componente principal del equipo de perforación como lo es eldesgasificador.

Los desgasificadores pueden ser del tipo atmosférico, separadorgas/lodo, centrífugo vacío, centrífugo y desgasificador de H2S.

A continuación se mencionan los tipos más utilizados en los equipos dePerforación.

Desgasificador atmosférico

El desgasificador atmosférico consiste básicamente de una bombacentrífuga sumergida y un tanque atomizador elevado. La bomba contiene unasentradas en forma de espiral y un impulsor que previene que el gas se encierre.

La descarga de la bomba fluye por un tubo ascendente, pasa por unaválvula de disco ajustable dentro del tanque atomizador y el lodo sale de estaválvula central con alta velocidad y se impacta contra las paredes del tanque. Elimpacto y la turbulencia en la pared del tanque sacan a la superficie las pequeñasburbujas de gas y se separan del lodo de perforación.

El lodo fluye a la base del tanque atomizador y sale por gravedad hacia laspresas de lodo, y el gas sale por arriba a la atmósfera. (figura 2.1).

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Figura 2.1 Desgasificador atmosférico.

El desgasificador debe tener instalado una descarga de gas que sobrepase laaltura del cobertizo de la presa.

Instalación.

El mejor lugar para instalar un desgasificador de este tipo es en la primerapresa, para circular el lodo desgasificado a la segunda presa. Para que la bombaeste siempre bien sumergida y se obtenga la velocidad de procesado óptima sedebe de abrir la línea de retorno entre la presa 2 y la 1 para que recircule el lodo.(figura 2.2).

Figura 2.2 Instalación del desgasificador atmosférico

Separador gas/lodo

Este dispositivo separa el gas del lodo a medida que éste fluye sobre losplatos deflectores instalados dentro del separador. El gas se levanta y sale por laparte superior, el lodo procesado sale por gravedad por el fondo del separadorhacia el tanque de la vibradora y regresa al sistema activo.

Este separador remueve las grandes bolsas de gas y las desfoga adistancias seguras del equipo de perforación. Cuando se presentan gases tóxicoso potencialmente explosivos que no deben liberarse en la atmósfera, el separadorse puede conectar directamente a la línea de flote o de la línea de retorno de lodo

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en el múltiple del estrangulador, el lodo se procesa y el gas sale directamente porla línea del quemador (figura 2.3).

Como se mencionó, este separador procesa grandes bolsas de gas, lasburbujas pequeñas remanentes en el lodo se pueden remover con undesgasificador de vacío.

Figura 2.3 Separador gas/lodo

2.5. EQUIPO SUPERFICIAL DE CONTROL DE SÓLIDOS.

El equipo mecánico para remover los sólidos perforados utiliza trestécnicas: (1) por mallas; (2) por fuerzas centrifugas y (3) por una combinación delas dos primeras (figura 2.4).

El asentamiento no se considera una técnica de remoción mecánicaaunque realmente es un método muy útil para el control de sólidos.

Para obtener la mejor eficiencia del equipo de control de sólidos esesencial que se tenga la instalación adecuada del mismo, la cual consiste en tenerun arreglo de aparatos tal que cada uno de ellos entregue la fracción procesadade lodo adecuada para alimentar los demás equipos flujo abajo.

SECUENCIA RECOMENDADA DE LA INSTALACION DEL EQUIPO PARACONTROL DE SOLIDOS.

LODOS SIN DENSIFICAR

1. Temblorina.2. Desgasificador (si se usa)3. Desarenador.4. Eliminador de sólidos finos.5. Centrifuga

LODOS DENSIFICADOS

1. Temblorina.2. Desgasificador (sí se usa)3. Desarenador.4. Centrifuga.

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Figura 2.4 Equipo Superficial Eliminador de Sólidos

Temblorinas

Las temblorinas con mallas finas mejoraron la remoción de sólidos encomparación de como lo hacían las antiguas de malla grande. El uso de mallasfinas para mejorar la remoción de sólidos depende de varios factores de entre loscuales se tienen los siguientes: gasto de la bomba, área de cernimiento, volumende sólidos y de la viscosidad del lodo. El balance de estos factores determinará eltamaño mínimo de malla que deberá emplearse. Así como también el número detemblorinas a utilizarse dependerá de la formación que se va a perforar.

Eliminador de sólidos finos

La mayoría de los eliminadores de sólidos finos tienen bancos de 4hidrociclones y procesan el lodo que es descargado por el desarenador. Tambiénestán diseñados para procesar hasta el 150% del gasto de circulación.

TAMAÑO DEL GASTO NUMERO TAMAÑODE CONO PROCESADO DE CONOS PARTICULAS

4” 50 gpm. 4-16 15-20 micrones

y mayores.

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RECOMENDACIONES PARA OPERAR LOS DESARENADORES Y LOSELIMINADORES DE SÓLIDOS FINOS

ü Deben ser alimentados con una bomba centrífuga que mantenga unapresión de descarga de 2.4 a 3.1 kg/cm2 (35 a 45 lb/pg 2).

ü Mantener la descarga de los hidrociclones en forma de sombrilla (spray).

ü Limpiar periódicamente la descarga de los hidrociclones.

Centrifuga

Existen dos tipos básicos de centrífugas empleadas para recuperar baritay eliminar los sólidos finos que crean problemas con la viscosidad. Los sólidosremovidos por una centrífuga son muy finos (4.5 a 6 micrones) los cuales tienenun gran efecto sobre las propiedades reológicas del fluido de perforación. Sinembargo, el uso de la centrífuga no elimina la necesidad de diluir el lodo con agua.Los incrementos diarios de la viscosidad plástica pueden dar un indicio de que tanrápido se está incrementando el porcentaje de sólidos y se puede utilizar comouna guía para hacer una dilución o una centrifugación.

Desarenador de lodo con hidrociclones.

El desarenador de lodo con hidrociclones está diseñado para hacer unaseparación intermedia de sólidos (entre la temblorina y la centrífuga) cuando seusan lodos densos. Está montado sobre una temblorina de alta velocidad conmalla fina. El propósito es remover sólidos (mayores de 74 micrones) que latemblorina no pudo eliminar. El máximo tamaño de malla para que el limpiadortrabaje bien es de aproximadamente 120. La descarga de líquidos de los conosdeberá procesarse a través de mallas lo más finas posible.

2.6. CÁLCULO DE DESPLAZAMIENTO EN BOMBAS DE LODO.

Para acondicionar el fluido, en operaciones normales, para control depozos, o cuando se hacen cambios de un fluido por otro, es importante conocer eltiempo requerido para hacer un ciclo completo.

El ciclo completo de un fluido, es el movimiento total del mismo en elsistema de circulación, desde el punto de succión de la bomba hasta regresar alpunto original.

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Los dos factores que intervienen en el tiempo del ciclo son:

• El volumen del fluido considerado.• El gasto de la bomba en lt / min.

cálculo del volumen por embolada de la bomba triplex de acción simple

La siguiente fórmula es para calcular el volumen en litros por embolada:

Vbt = 0.0386 x D2 x LDonde:Vbt = Volumen bomba triplex en lt/emb.0.0386 = Constante.D2 = Diámetro interior de la camisa en pulgadas.L = Carrera del pistón en pg.

EJEMPLO:

¿Qué volumen en litros por embolada manejará una bomba triplex de acciónsimple con diámetro de camisas de 4 ½ plg y carrera de 7 pg?

Fórmula : Vbt = 0.0386 x D2 x L

Sustituyendo los datos en la fórmula:

Vbt = 0.0386 (4.52) 7

Vbt = 0.0386 x 20.25 x 7

Vbt = 5.47 lt /emb al 100 %

Observación :

El cálculo de la eficiencia volumétrica se hace al 90 o al 95% ya que la camisa nose llena al 100%.Si se desea conocer el gasto de una bomba de acción simple en litros por minuto(lt/min.), se multiplicará el número de emboladas por minuto (EPM) queproporcione la bomba, por la cantidad de litros por embolada (lt/emb.)

Formula: Qb = lt / emb x EPM

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DONDE:

Qb = Gasto de la bomba en lt/min.lt/emb = Litros por embolada.EPM = Emboladas por minuto.

EJEMPLO:

¿Qué gasto tendrá una bomba triplex simple que proporciona 5.47 lt/emb y estáoperando a 90 EPM?

Sustituyendo los datos en la formula:

Qb = 5.47 x 90Qb = 492 lt /min.

2.7. CÁLCULO DE TIEMPO DE CICLO.

Es el tiempo que se requiere para que la bomba reciprocante desplace elvolumen total contenido en el pozo (tiempo para bajar hasta la barrena y regresara la superficie).

Calcular este tiempo; le será necesario para realizar eficientemente lasoperaciones de Perforación y Mantenimiento de Pozos.

Una vez que usted conoce el volumen del pozo en litros y el gasto de labomba en lt/ min, el cálculo es muy sencillo y se realiza con la siguiente fórmula

CICLO EN MINUTOS = Volumen del pozo (lt) Gasto de la bomba (lt/ min.)EJEMPLO:

¿Cuál será el tiempo necesario para efectuar un ciclo del fluido, en un pozo quetiene un volumen de 45,000 litros y la bomba recíprocamente proporciona ungasto de 500 lt/ min.?

Solución:

Ciclo en minutos = 45,000 lt 500 lt / min.

Tiempo de ciclo = 90 min. = 1:30 hrs.

= 90 min.

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Nota: El tiempo de atraso es el tiempo requerido para desplazar el volumen delespacio anular del fondo hasta la superficie.

Su formula es la siguiente:

TIEMPO DE ATRASO = VOLUMEN DEL ESPACIO ANULAR GASTO DE LA BOMBA

Si el volumen del espacio anular es en litros, el gasto de la bomba estará enlts/min.

Tiempo de atraso = minutosVolumen = lts ó galonesGasto = lts/min. ó galones/min.