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CAPTULO 1: FUNCIONES DE LOS FLUIDOS DE PERFORACIN.

Las principales funciones de un fluido de perforacin son las siguientes:

1) Transportar los recortes desde el fondo del pozo hasta la superficie: Los ripios o recortes de perforacin deben ser retirados del pozo a medida que son generados por la mecha. Para lograr este propsito se hace circular el fluido de perforacin a travs de la sarta de perforacin, mecha y espacio anular hasta llegar a la superficie. Los recortes tienen una mayor densidad que el fluido de perforacin. Por lo tanto, al mismo tiempo que el flujo del lodo en el anular los empuja hacia arriba, estn sometidos a la fuerza de gravedad que tiende a hacerlos caer hacia el fondo del pozo. La velocidad con la que estas partculas caen a travs del lodo fluyendo depende de la densidad y viscosidad del fluido, as como tambin del tamao, forma y densidad de las partculas. Dado que el fluido en el espacio anular circula hacia arriba, la velocidad a la que las partculas son elevadas es la diferencia entre la velocidad anular y la velocidad de cada de los recortes. Velocidad de Transporte = Velocidad Anular Velocidad de Cada

2) Controlar las presiones de la formacin: El agua, el gas y el petrleo que se encuentran en el subsuelo estn bajo gran presin. Esta presin debe ser sobrebalanceada para evitar un flujo incontrolado de esos fluidos en el interior del pozo. Es as como el control se logra a travs del mantenimiento de una presin hidrosttica suficiente en el anular. La presin hidrosttica es directamente proporcional a la densidad del lodo y a la profundidad vertical verdadera (TVD) del pozo. La presin hidrosttica tambin controla los esfuerzos adyacentes al pozo que no son ejercidos por los fluidos de formacin. En las regiones geolgicamente activas, las fuerzas tectnicas imponen esfuerzos sobre las formaciones y pueden causar la inestabilidad de los pozos aunque la presin de los fluidos de formacin est equilibrada. Igualmente, la orientacin del pozo en los intervalos de alto ngulo y horizontales puede reducir la estabilidad del pozo, lo cual puede controlarse con la presin hidrosttica. Presin hidrosttica (psi) = Densidad del fluido de perforacin (lpg)* TVD (ft) * 0.052

3) Suspender los recortes de perforacin y aditivos slidos presentes en el fluido: Cuando el lodo no est circulando, la velocidad anular (fuerza de elevacin por flujo ascendente) es eliminada. Los recortes caern hacia el fondo del pozo a menos que el lodo tenga la capacidad de formar una estructura de gel cuando no est fluyendo. El lodo debe, por supuesto, recuperar su fluidez cuando se reinicia la circulacin. Los recortes de perforacin que se sedimentan bajo condiciones estticas pueden causar rellenos y por consiguiente distintos problemas operacionales como pegas de tubera por ejemplo. Respecto a los aditivos, el material densificante (el cual por tener mayor gravedad especfica sedimenta ms fcilmente) que se sedimenta forma un asentamiento y causa grandes variaciones en la densidad del fluido en el pozo. El asentamiento ocurre con mayor

RIF: J -30482511-0 frecuencia bajo condiciones dinmicas en los pozos de alto ngulo donde el fluido circula a bajas velocidades anulares.

4) Mantener la estabilidad del hoyo: La estabilidad del pozo constituye un equilibrio complejo de factores mecnicos (presin y esfuerzo) y qumicos. A medida que la mecha penetra en una formacin se elimina parte del apoyo lateral que ofrecen las paredes del pozo. A menos que ese sostn sea reemplazado por el fluido de perforacin hasta que el revestidor hay sido asentado, la formacin tender a derrumbarse. S la formacin es muy firme (el granito sera un ejemplo extremo) se necesitar poco sostn por parte del fluido. S la formacin es moderadamente firme y consolidada (lutitas por ejemplo) la densidad del fluido puede brindar suficiente estabilidad. S la formacin es dbil y no consolidada (como en el caso de la arena), el fluido debe ser lo suficientemente denso y tener la capacidad de formar una capa delgada pero resistente de partculas sobre la superficie del pozo. De cualquier forma, la densidad del lodo debe estar comprendida dentro del intervalo necesario para equilibrar las fuerzas mecnicas que actan sobre el pozo. Por otro lado, la composicin qumica y las propiedades del lodo deben combinarse para proporcionar un pozo estable hasta que se pueda introducir y cementar la tubera de revestimiento. En fluidos base agua, por ejemplo, las diferencias qumicas causan interacciones entre el fluido de de perforacin y la lutita, las cuales pueden producir con el tiempo el hinchamiento o el ablandamiento. En este caso, varios inhibidores o aditivos qumicos pueden ser agregados para facilitar el control de las interacciones lodo lutita.

5) Producir obturacin en las formaciones permeables: La permeabilidad se refiere a la capacidad de los fluidos de fluir a travs de formaciones porosas; las formaciones deben ser permeables para que los hidrocarburos puedan ser producidos. Cuando la presin de la columna de fluido es mayor que la presin de la formacin, el filtrado invade la formacin y un revoque se deposita en las paredes del pozo. Los sistemas de fluidos de perforacin deben estar diseados para depositar sobre la formacin un delgado revoque de baja permeabilidad con el fin de limitar la invasin de filtrado. Esto mejora la estabilidad del pozo y evita numerosos problemas de perforacin y produccin. En las formaciones muy permeables con grandes gargantas de poros, el lodo completo puede invadir la formacin segn el tamao de los slidos del lodo. Para estas situaciones, es necesario usar agentes ponteantes para as bloquear las aberturas grandes de manera que los slidos del lodo puedan formar un sello.

6) Enfriar y lubricar la mecha y sarta de perforacin: A medida que la mecha entra en contacto con el hoyo y la sarta de perforacin rota se genera calor. El fluido de perforacin debe absorber ese calor y transportarlo hasta la superficie (cualquier fluido lquido desempear esa funcin al circular). El fluido de perforacin tambin ejerce un efecto lubricante para la mecha, para la sarta y la tubera de revestimiento durante el proceso de perforacin. Algunas partculas contenidas en el fluido no pueden ser consideradas propiamente como lubricantes; sin

RIF: J -30482511-0 embargo, la facilidad con que se deslizan una al lado de la otra y su disposicin sobre las paredes del pozo disminuyen la friccin y la abrasin. A veces se aaden materiales especiales al lodo para mejorar sus propiedades lubricantes. Entre los posibles beneficios se encuentra una mayor vida til para la mecha, menor torsin y arrastre, menor presin de bombeo y menos desgaste por friccin de la sarta de perforacin y el revestimiento.

7) Transmitir energa hidrulica a la mecha y otras herramientas: Durante la circulacin el lodo es expulsado a travs de las boquillas de la mecha a gran velocidad. Esta fuerza hidrulica hace que la superficie por debejo de la mecha se encuentre libre de recortes. Si no se remueven de all los recortes, la mecha los seguir triturando incrementndose as el porcentaje de slidos con la subsiguiente disminucin de la tasa de penetracin. La remocin eficiente de los recortes que se forman en la superficie de la mecha depende de las propiedades fsicas del lodo y de su velocidad al salir por las boquillas. En situaciones especiales la fuerza hidrulica del fluido se usa tambin para hacer rotar la mecha. La mecha est conectada a un motor hidrulico en el fondo del pozo; el conjunto est a su vez fijo al extremo inferior de la sarta. Este mtodo se usa a menudo para lograr una perforacin direccional. La energa hidrulica tambin alimenta las herramientas de medicin al perforar (MWD) y de registros al perforar (LWD).

8) Permitir la evaluacin adecuada de la formacin: S bien el fluido de perforacin modifica las caractersticas originales de la formacin, su presencia es necesaria para realizar muchos de los registros o perfiles con cable que se emplean para la evaluacin de la formacin. La utilizacin de esos perfiles requiere que el fluido sea buen conductor de electricidad y que presente propiedades elctricas diferentes a las de los fluidos de la formacin. Una evaluacin apropiada de la formacin es difcil s la fase lquida del lodo penetra profundamente en la formacin o si el lodo ha erosionado el pozo fsica o qumicamente.

9) Suspender la sarta de perforacin y la tubera de revestimiento: El peso de una sarta de perforacin o de una sarta de revestimiento puede exceder las 200 toneladas. Un peso tal puede causar una gran tensin o esfuerzo sobre el equipo de superficie. Sin embargo, esas tuberas estn parcialmente sostenidas por el empuje ascendente del lodo (Principio de Arqumedes), de la misma manera que el empuje flotante del mar mantiene flotando a un barco de acero. La presin ascendente (sustentacin hidrulica) depende de la presin ejercida por el fluido y de la seccin transversal sobre la que esta presin se ejerce.

10) Minimizar los daos a la formacin: La proteccin del yacimiento contra daos que podran perjudicar la produccin es muy importante. Cualquier reduccin de la porosidad o permeabilidad natural de una formacin productiva es considerada como dao a la formacin. Estos daos pueden producirse como resultado de la obturacin causada por el lodo o los slidos de perforacin, o de las interacciones qumicas (lodo) y mecnicas (conjunto de perforacin) con la formacin. El dao a la formacin es generalmente indicado

RIF: J -30482511-0 por un valor de dao superficial o por la cada de presin que ocurre mientras el pozo est produciendo (diferencial de presin del yacimiento al pozo). Algunos de los mecanismos ms comunes causantes de daos a la formacin son los siguientes: a) Invasin de la matriz de la formacin por el lodo o los slidos de perforacin, obturando los poros. b) Hinchamiento de las arcillas de la formacin dentro del yacimiento, reduciendo la permeabilidad. c) Precipitacin de los slidos como resultado de la incompatibilidad entre el filtrado y los fluidos de la formacin. d) Precipitacin de los slidos del filtrado del lodo con otros fluidos, tales como las salmueras o los cidos, durante los procedimientos de completacin o estimulacin. e) Formacin de una emulsin entre el filtrado y los fluidos de la formacin, limitando la permeabilidad. La posibilidad de daos a la formacin puede ser determinada a partir de los datos de pozos de referencia y del anlisis de los ncleos de la formacin para determinar la permeabilidad de retorno. Fluidos de perforacin diseados para minimizar un problema en particular, fluidos de perforacin del yacimiento diseados especialmente, o fluidos de rehabilitacin y completacin pueden ser usados para minimizar los daos a la formacin.

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CAPTULO 2: GEOLOGA. La geologa es la ciencia que se ocupa de la historia y vida del Planeta Tierra, especialmente la almacenada en las rocas. Debido a que el petrleo es una acumulacin de vida anterior tapiada debajo de miles de pies de rocas, los estudios geolgicos juegan un papel muy importante dentro del negocio de la industria del Petrleo y Gas. 2.1) Origen de la Tierra y del Sistema Solar. Segn los astrnomos el universo tuvo su origen hace trece billones de aos si asumimos que el universo fue creado al mismo tiempo de acuerdo a la teora del Big Bang. Diversos mtodos para determinar de edades cronolgicas indican que nuestro sistema solar y la tierra fueron originados hace 4,7 billones de aos mediante un gnesis que aun no se entiende ni se explica de una forma completa. Se conoce de la abundancia de los diferentes elementos en el universo mediante el anlisis de la amplitud y la intensidad de las ondas emitidas por estrellas y diferentes galaxias. De acuerdo a estos datos el hidrgeno y helio componen al 99% de todos los elementos. Esto es vlido tambin para la composicin del sistema solar. Toda teora que trata de explicar el origen de la tierra tambin deber explicar porqu la tierra posee una proporcin mucho ms alta de elementos pesados que el resto del sistema solar y del universo. Una de las teoras que explica la gnesis del Sistema Solar indica que el mismo fue originado a partir de la agregacin de materiales que formaban una nube gigantesca en el espacio. Esta nube gigantesca posea una fuerte tendencia rotacional. La aceleracin gradual de las partculas y de las presiones y una leve fuerza gravitacional concentraron las nubes tal cual se indica en la Figura 1.

Figura 1. Ilustracin artstica de etapas primitivas de los procesos de formacin de nuestro Sistema solar Planetario a partir de una nebulosa (a).Michael A. Seeds, en Horizons, "Exploring the Universe, 6th, edition, Ed. Brooks/Cole Pub.Co.2000

RIF: J -30482511-0 Inicialmente las partculas probablemente estaban fras, pero la fuerza gravitacional y la friccin de las colisiones entre las partculas generaron enormes cantidades de calor. Cuando se alcanzaron magnitudes suficientes de calor y presin comenzaron a ocurrir reacciones nucleares. Como consecuencia de las enormes fuerzas en accin se origin una concentracin de cuerpos celestes rotando en un plano elptico. Posiblemente, meteoritos de tamao reducido y de composicin diversa eran los constituyentes bsicos de este sistema solar primitivo. El intenso calor generado por el nuevo sistema y el sol se irradi de una manera indicada en la Figura 2.

Figura 2.- Formacin del sistema solar. El gas y polvo que rodea al Sol se va condensando en partculas cada vez mayores que dan lugar a planetsimos y estos a planetas

Cerca del Sol la temperatura era tan alta que los elementos ligeros como el hidrgeno y el helio fueron expulsados debido a la intensa radiacin solar. Esta zona fue dominada por elementos ms pesados que se agruparon debido a la gravedad formando cuerpos grandes. Con el tiempo se formaron as los planetas rocosos del interior del sistema solar. En los planetsimos, la temperatura fue lo suficientemente alta como para provocar la fusin qumica de los materiales slidos y una importante diferenciacin interna: hacia el centro llegaron los elementos ms densos, hacia la periferia salieron los menos densos. Esto explica el porqu la Tierra y muchos otros cuerpos del sistema solar tienen un ncleo metlico, en algunos casos en estado de fusin, y una corteza de silicatos rgida. En los cuerpos menores, satlites y planetas ms pequeos, las temperaturas de agregacin fueron modestas y la diversificacin no se llev a cabo.

2.2) Forma de La Tierra. La tierra es una esfera ligeramente achatada en los polos. El dimetro ecuatorial es 27 millas ms grande que el polar. La superficie del planeta es muy chata si se tiene en cuenta su magnitud. La diferencia vertical entre la montaa ms elevada (Everest de 29.000 pies) y la parte ms profunda del ocano conocido por el hombre (fosa de Mindanao 36.560 pies) es menos de 12 millas.

RIF: J -30482511-0 El dimetro polar de la tierra es de 7.900 millas siendo la ecuatorial de 7.927. La circunferencia ecuatorial es de 24,900 millas. La superficie de la tierra es de 197 millones de millas cuadradas, de las cuales aproximadamente 71% se hallan cubiertas por los ocanos. El volumen de la tierra es de ms de 250 billones de millas cubicas y su masa se ha estimado en 6.000 quintilln de toneladas. (6.000.000.000.000.000.000.000 ton). Los gelogos han construido modelos de la tierra mediante el estudio de la transmisin de las ondas creadas por terremotos a travs de la estructura de la tierra. De acuerdo a estos estudios la tierra se compone de las siguientes capas. 2.2.1) Corteza. La parte superficial de nuestra plantea fue denominado corteza hace ms de cien aos, cuando se crea que se hallaba compuesta de un gran ncleo incandescente y fundido cubierto por un caparazn o corteza muy delegada de rocas. Hoy basado en conocimientos cientficos ms avanzados se sabe que esta parte de la tierra es solamente una porcin pequea de una parte slida ms extensa conocido como litsfera. La misma se halla compuesto de las mismas rocas que se observan en la superficie y se prolonga hasta una profundidad de 20-30 millas hasta la Discontinuidad de Mohorowich (ver Figura 3). Las observaciones directas que se pueden hacer de la corteza son muy limitadas ya que el tnel minero ms profundo es de solamente 10.000 pies y observaciones ms directas como en el Gran Can del Colorado se extienden solamente por una milla. Pero a consecuencia de estudios sismolgicos se sabe que la tierra se compone de: 1. Bloques continentales 2. Cuencas ocenicas 2.2.1.1) Continentes. El granito es la roca dominante en la composicin de los continentes. Esta zona tambin se denomina, a consecuencia de su composicin, como sial. Este nombre deriva de su composicin qumica de slice y aluminio. Esta parte de la tierra es de aproximadamente 6-9 millas de espesor. Esta zona se prolonga y se une a las zonas inferiores de la tierra de una manera gradual. En las zonas ms bajas de la corteza las ondas de propagacin de los terremotos se trasladan con mayor velocidad, indicando formaciones de mayor densidad. Debido a ello la zona se denomina tambin como sima, por su composicin de slice y de magnesio. La zona posee un espesor de 12 a 17 millas, pudiendo en algunos casos llegar hasta los 27 millas, por debajo de zonas montaosas. 2.2.1.2) Cuencas Ocenicas. El tipo de material predominante en los continentes (granito), parece estar ausente en la cuenca de los ocanos. Por anlisis de muestras submarinas y de las diversas islas aflorando se determin que la roca que predomina en las cuencas ocenicas es el basalto.

RIF: J -30482511-0 Esta zona es de un espesor irregular y llega hasta la Discontinuidad de Mohorovich entre 6-8 millas. 2.2.2) Manto. Entre la corteza de la tierra y el ncleo incandescente se halla ubicado el manto. Esta parte de la tierra es de aproximadamente 1.800 millas de espesor. Se halla compuesto de dos zonas bien diferenciadas compuestas de silicatos, sulfatos y xidos. Los materiales que lo componen se hallan bajo altas presiones, evitando las mismas que los componentes mencionados se fundan bajo las altas temperaturas que dominan. El lmite divisor entre el manto y el ncleo se conoce como la Discontinuidad de Wiechert-Gutenberg. Su habilidad para transmitir o las ondas causados por los terremotos indican una gravedad especifica entre 3,6 y 4,5. La parte externa es presumiblemente de peridotita siendo la interna un mineral ms denso denominado palasita. La gravedad especfica de esta parte es de 4,5 a 8,0. 2.2.3) Ncleo. Esta parte de la tierra posee un dimetro de 4.300 millas (un poco ms de la mitad del volumen del planeta). Esta compuesta de metales pesados tanto en un estado slido como fundido. Algunas de la ondas producidas por terremotos que se transmiten solamente a travs de slidos no atraviesan el ncleo. Otras ondas que atraviesan tanto a slidos y lquidos, disminuyen su velocidad al entrar en el ncleo pero aceleran despus de haber atravesado al mismo. Se deduce que la parte exterior del ncleo es una masa lquida e incandescente de roca. La parte central sera slida y estara formado por materiales diferentes.

Figura 3. Interior de la tierra Fuente: www.portalplanetasedna.com.ar

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Figura 4. Interior de la tierra Fuente: http://greco.fmc.cie.uva.es/mineralogia/contenido/intr_miner3_2_2.html

2.3) Geologa del Petrleo. Geologa es la ciencia que estudia la tierra, su origen y desarrollo en el pasado, lo mismo que su composicin y procesos que actan y actuaron sobre su superficie e interior y el origen y desarrollo de la vida sobre su superficie. Como una ciencia la geologa posee tcnicas propias para reconstruir a lo ocurrido en el pasado, apoyndose tambin en otras ramas de la ciencia como qumica, biologa y fsica para una interpretacin ms certera. La geologa posee las siguientes ramas: Cristalografa. Mineraloga. Petrografa. Geoqumica. Geologa Estructural. Estratigrafa. Sedimentologa. Paleontologa. Geomorfologa.

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En la geologa del petrleo la principal preocupacin es la sedimentologa, estratigrafa y geologa estructural. Sedimentologa es la rama de la Geologa que estudia el origen, transporte, deposicin y diagnesis de los sedimentos. Incluye la descripcin clasificacin e interpretacin de los mismos. Las rocas sedimentarias son el material fundamental de la estratigrafa. El mismo estar estudiando el origen de los diferentes estratos de rocas, su historia a travs del estudio de los organismos fsiles que ellos encierran. La estratigrafa es el estudio del fenmeno de la sedimentacin a travs de las edades geolgicas. La ley fundamental que rige la sedimentacin es la ley de la superposicin. El mismo afirma que en una sucesin de rocas, las capas superiores fueron formadas luego de las capas inferiores. Por lo tanto, la solucin de problemas estratigrficos y estructurales comienza con la observacin sistemtica de sedimentos expuestos en la superficie de la tierra o a travs de perforaciones. Es importante recordar que la actividad tectnica va influenciar de una manera profunda la forma en que las capas de sedimentos se disponen y a su espesor. Basado en toda la informacin obtenida se elabora una columna estratigrfica subdividida de acuerdo a las edades geolgicas. La estratigrafa es el estudio de la sucesin de las rocas y la interpretacin de estas sucesiones y la secuencia de los eventos geolgicos en la historia de la tierra.

2.3.1) Propiedades de las Rocas Sedimentarias. La mayora de las rocas de origen sedimentario cuentan con dos componentes principales: 1. Fraccin detrital: Acarreo al rea de la deposicin desde el rea de origen. 2. Fraccin qumica: Formado por accin qumica en el rea de la deposicin. Al estudiar las propiedades de rocas sedimentarias lo siguiente deber tenerse en cuenta Las rocas detrticas tienen una textura fragmentar mientras que las rocas de origen qumico poseen una textura cristalina. Hay cuatro componentes que definen la textura de una roca. Ellos son: Granos. Cemento. Matriz. Poros.

El cemento se debe diferenciar de la matriz, siendo los cementos ms comunes: slice, calcita, dolomita y siderita.

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Los granos de una roca se describen en funcin de las siguientes propiedades: Color. Tamao. Forma. Esfericidad. Orientacin de cristales. Textura de la superficie. Composicin mineralgica.

Las propiedades de las partculas describen tanto a los sedimentos clsticos como qumicos. Granos grandes de arena implican un transporte que requiere un alto nivel de energa y la abundancia de calcita indicara la existencia de un medio ambiente deposicional muy particular. El color es indicativo de las diferentes asociaciones qumicas. La forma de las partculas indica el grado de transporte sufrido por el sedimento.

2.3.2) Origen de las Rocas Sedimentarias. Las rocas sedimentarias son la consecuencia de la degradacin y transporte de formaciones previamente existentes. La erosin degrada a las rocas fragmentndolas en partculas pequeas que son transportadas por diferentes agentes a veces a grandes distancias. Cuando la energa del medio de transporte se agota se da la deposicin del nuevo sedimento. La erosin se produce a travs de dos fenmenos distintos: Fsicos: Desintegracin mecnica. Qumico: Oxidacin y/o disolucin selectiva.

El transporte de los sedimentos se hace mediante las siguientes acciones: Gravitacional. Accin glacial. Accin del agua. Accin del viento.

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Figura 5 Ciclo de la Roca Fuente: es.encarta.msn.com/.../Ciclo_de_las_rocas.html

2.3.3) Clasificacin de Rocas Sedimentarias. Se reconocen cinco clases genticas de rocas sedimentarias: Orgnicas. Qumicas. Residuales. Volcanoclsticas. Ferruginosas.

Los sedimentos orgnicos se componen de materiales orgnicos, tanto de origen animal como de vegetal. Los sedimentos qumicos se forman por precipitacin directa en un medio ambiente acutico. Estas rocas denominadas tambin evaporitas son las calizas, tufas, etc. Los sedimentos residuales son aquellos que han sido dejados en el lugar de origen luego de la degradacin de los sedimentos originales, es decir que no sufren transporte. Los sedimentos ferruginosos se originan en tierra y son de composicin silicoclsticas. Los Sedimentos volcanoclsticos como lo indica su nombre son de origen volcnico.

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2.3.4) Porosidad y Permeabilidad. Es de gran importancia, para entender los fundamentos de la Geologa del Petrleo conocer y entender los conceptos de permeabilidad y porosidad. Porosidad Total: Es el volumen del espacio vaci de la roca expresado como un porcentaje total del volumen de la roca.

Porosidad =

100 *(Volumen Total - Volumen de los Granos) Volumen Total

Porosidad Efectiva: Es la cantidad de poros conectados expresada en porcentaje.

Permeabilidad: Es la medida de la habilidad de una roca de permitir un fluido fluir a travs de su estructura. Permeabilidad se calcula de acuerdo la siguiente ecuacin:

K=

QxMxL APxA

K = Permeabilidad (Darcy) L = Longitud de la muestra de la roca (cm) 3 Q = Volumen del flujo (cm /s) M = Viscosidad del fluido (cP) 2 A = rea transversa de la muestra de roca (cm ) P = Presin aplicada (atm)

En teora la porosidad es independiente del tamao de los granos de sedimentos. Pero en la prctica la porosidad disminuye con un incremento en el tamao de los granos. Tambin como una regla general la porosidad va a aumentar con un incremento en la seleccin de los granos. A su vez la porosidad es inversamente proporcional a la esfericidad de los granos. Cuantos ms esfricos son los mismos, menor ser la porosidad debido a la tendencia de empacamiento ms estrecho de los granos. Formaciones de alto contenido de arcillas como las lutitas tienen una porosidad muy reducida debido a la compactacin.

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Interconectada: poros conectados por varios lados. Las corrientes de agua pueden desalojar el gas y el petrleo

Aislada: poros aislados.

Los poros conectados Interconectados constituyen porosidad efectiva.

e la

Figura 6 Tipos de Porosidad Fuente: industria-petrolera.blogspot.com/2007/11/un-p...

2.3.5) Fluidos del Yacimiento. Los fluidos contenidos en un yacimiento son una combinacin compleja de hidrocarburos contenidos en el espacio poroso de la roca madre. Estos fluidos pueden presentarse como vapor, lquido o slidos o como cualquier combinacin de los tres. El estado en el cual el fluido se va presentar en el yacimiento es una funcin de la temperatura y de la presin bajo las cuales se encuentra ste. La composicin qumica del petrleo vara mucho de un depsito a otro, pero sin embargo todos poseen un rasgo comn; se hallan compuestos de una manera predominante de: Carbn, C Hidrgeno, H Azufre, S Oxgeno, O Nitrgeno, N

Como una regla general la mayora de los depsitos de petrleo presentan la siguiente composicin qumica:

C = 84 - 87% H = 11 - 14% S, N, O = 01, - 2% combinado

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Figura 7 Esquema de los fluidos contenidos en un yacimiento

La productividad de un yacimiento de petrleo depende de las caractersticas fsicas de los fluidos contenidos en el mismo. Son de una importancia primordial la densidad, viscosidad y la proporcin en la cual se presentan en el yacimiento gases y lquidos. Es tambin de gran importancia las variaciones volumtricas que los fluidos presentarn bajo condiciones cambiantes de presin y temperatura. Generalmente los fluidos de un yacimiento se pueden clasificar en cuatro categoras: 1. Crudos Normales: Estos son los hidrocarburos lquidos llamados generalmente como "crudos". Poseen viscosidades de 1 cp hasta 1.000 cp. Las gravedades especficas pueden variar de 0,825 a 1.075 y el color es de un negro verdoso a un color mbar. Las caractersticas volumtricas de los crudos se hallan ligadas a la presin del reservorio y pueden ser demostrados con una celda de presin. La Figura 8 indica las caractersticas volumtricas del crudo. Si se tiene solamente presente la fase liquida (petrleo) la presin del yacimiento PA se reduce durante la produccin, al mismo tiempo que se incrementa el volumen especfico del petrleo. A una presin menor PB, aparecer por primera vez una burbuja de gas libre. Esta presin y este momento se denominan "punto burbuja".

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Punto de Burbuja

PA > PB > PC > PD

Gas Petrleo Gas Petrleo

Gas

Petrleo

Petrleo

PA

PB

PC

PD

Figura 8 Caractersticas Volumtricas de Crudo Contra Presin

Una reduccin posterior de la presin del yacimiento a los niveles PC y PD van a ocasionar un cambio. A medida que la presin baja, la cantidad de gas escapando del petrleo incrementa de una manera proporcional. Al mismo tiempo el volumen especifico se incrementa, aparejado de una reduccin del volumen especifico del petrleo con la reduccin de la presiona por debajo de PB. Cuando el gas se separa del petrleo componentes como metano y etano se evaporan. Hay yacimientos con presiones entre las presiones PA y PD. Los mismos, se hallan relacionados a las temperaturas y presiones existentes en ese yacimiento. Si las presiones existentes se hallan por debajo de PB entonces la separacin petrleo/gas se ha producido y se hallar posicionado como se indica en la Figura 9.

Figura 9 Separacin Petrleo Gas

RIF: J -30482511-0 2. Crudos Voltiles: Estos son similares a los previamente discutidos pero son ms livianos, de menor viscosidad y presentan un cambio de volumen ms grande con la reduccin de la presin. Esto se debe enteramente al aspecto voltil, es decir a la mayor cantidad de gases en solucin, por lo tanto una mayor compresibilidad bajo alta presin. La densidad generalmente se halla entre 0,75 y 0,85. Los cambios volumtricos se producen igual que en el caso anterior.

3. Gas condensado: Son lquidos con un gran volumen de gas mezclado. Los condensados pueden existir como lquidos en una acumulacin de gas. Realmente se trata de una fase lquida que se desarrolla de la condensacin de componentes ms pesados a medida que la presin es reducida a consecuencia de la produccin. La Figura 13 ilustra la reduccin de presin PA a PD.

Punto de Roco

Gas

GasPetrleo Gas Petrleo Petrleo Petrleo

PA

PB

PC

PD

Figura 10 Comportamiento de Gases Condensados

Bajo altas presiones de yacimiento el sistema se compone solamente de gas. Al reducirse la presin del yacimiento como consecuencia de la produccin se forma un condensado, al principio en cantidades pequeas. La presin a la cual esto se produce se denomine el "punto de roco" La cantidad de condensado incrementar si la presin del yacimiento sigue disminuyendo. En condiciones por debajo de PC el yacimiento ser de condensado. La viscosidad de un condensado es entre 0,05 a 0,5 cp, con una gravedad especifica entre 0,7 a 0,78.

4. Yacimiento de gas seco: Indica un reservorio donde solamente gas se halla presente bajo todas las condiciones de presin de reservorio. Generalmente estos reservorios consisten en 98% de metano puro.

RIF: J -30482511-0 2.3.6) Propiedades Fsicas de Fluidos de Yacimiento. Los fluidos de reservorio poseen varias caractersticas de gran inters para la produccin del mismo. Estas propiedades son: Densidad Viscosidad Compresibilidad Gas en Solucin

2.3.6.1) Densidad Se define como la masa por unidad de volumen y se expresa a una temperatura y presin en particular. Para eliminar la confusin y las diferentes unidades API determino que la densidad del petrleo se debe expresar en Gravedad Especifica API. Esto se hizo con la intencin de unificar criterios para le expresin de la densidad del petrleo. La Gravedad API de un tipo de petrleo se determina de la siguiente manera:

API =

141,5 -131.5 SG

Donde SG es la gravedad especifica del fluido.

Por lo tanto la Gravedad API del agua sera de 10. El petrleo con una gravedad especfica de ms de 10 sera ms liviano que el agua. Los diferentes fluidos de formacin poseen los siguientes rangos de gravedad API:

Tipo de Fluido Crudo Crudo Voltil Condensado Agua Pura

SG 0,82 - 1,07 0,78 - 0,85 0,70 - 0,78 1,0

API 41,0 - 0,75 50,0 - 36,0 70,6 - 48,7 1,0

La gravedad API indica el valor de mercado del fluido. Cuanto ms elevada es la gravedad API tanto ms valioso es el fluido, ya que el petrleo contendr mayores proporciones de gasolina. Para determinar la gravedad API se debe determinar la gravedad especfica (SG) del fluido con un hidrmetro graduado.

RIF: J -30482511-0 2.3.6.2) Viscosidad. Esta es la propiedad fsica del fluido que determinar su habilidad para fluir. El volumen de flujo es inversamente proporcional a la viscosidad del fluido. La viscosidad al igual que la densidad es una funcin de la composicin del fluido y de la temperatura y presin del yacimiento. La unidad para medir la viscosidad se denomina poise, aunque normalmente se expresa en centipoise (cP).

1 poise = 1g /cm*s = 1 dina / s*cm = 0.1 Pa*s

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2.3.6.3) Compresibilidad. Es la medida que se emplea para expresar cambios en el volumen del lquido al pasar en el yacimiento de una presin a otra. La compresibilidad se expresa como Bo o factor volumtrico de formacin. Tiene que ver con la cantidad de petrleo en el yacimiento y el rea de superficie.

2.3.7) Clasificacin de Gases. Tpicamente un yacimiento de gas consiste entre 60-80% de metano y el resto compuesto de gases ms pesados como C2, C3, C4, C5 y otros. Excepcionalmente se han encontrado yacimientos con un contenido de metano tan bajo como 7%. Nitrgeno, dixido de carbono, sulfuro de hidrgeno y helio se hallan presente en pequeas cantidades y se consideran como impurezas. N2 y al CO2 al hallarse presentes en grandes cantidades pueden impedir la combustin del gas. El CO 2 y H2S pueden causar severa corrosin, adems de que el H2S se considera un gas venenoso. La determinacin de la concentracin de los gases se puede hacer de una forma precisa mediante la cromatografa o espectroscopa de masas.

2.3.8) Origen Del Petrleo. Es el petrleo un mineral? Los gelogos definen un mineral como una substancia que se produce de una manera natural y posee propiedades fisicoqumicas definidas. El petrleo definitivamente se origina de una manera natural, pero no todos los petrleos son iguales. El petrleo es una mezcla compleja de hidrocarburos que pueden ser gas, liquido o slido, dependiendo de su composicin y de las condiciones de temperatura y presin del yacimiento. Por lo tanto, en el sentido estricto de la definicin el petrleo se considera como tal. Todos los petrleos contienen una fraccin de parafinas, es decir metano, etano, propano o butano. Los cicloparafinas y aromticos (series de benceno) son tambin

RIF: J -30482511-0 constituyentes mayores del mismo. Impurezas como dixido de carbono, sulfuro de hidrgeno, nitrgeno, y oxgeno se hallan presentes tambin en numerosos crudos. Por lo tanto, la composicin qumica de un crudo es una clave para determinar su origen. Carbono e hidrgeno son los dos componentes predominantes en la composicin de un petrleo. Las fuentes ms abundantes de estos elementos son los organismos como animales y plantas. Segn los geoqumicos la evidencia ms concreta de que los materiales antes mencionados son los que originan los petrleos es la presencia de pigmentos porfirnicos y de nitrgeno en su composicin qumica. Las nicas fuentes conocidas de estos pigmentos son las heminas, pigmentos que le dan color a la sangre y a la clorofila, pigmento verde que es responsable del color de las plantas. Adems el nitrgeno es el principal componente de los aminocidos que es el componente bsico de todo organismo vivo sea animal o vegetal. De acuerdo a esto, se puede determinar que animales y plantas son las principales fuentes de petrleo. Hongos marinos y algas dinoflageladas son la fuente principal de organismos marinos. El contenido de carbono en los animales vara entre 2-40%. Entre los animales que pueden originar depsitos de petrleo podemos mencionar peces, corales y diferentes moluscos. Todos estos organismos sean plantas o animales han habitado la tierra por ms de 1.1 billn de aos, algunas algas primitivas por ms de 3.6 billones. Sin embargo, la preservacin de estos organismos y la posibilidad de que los mismos originen depsitos de petrleo dependen de la cantidad de oxgeno en el medio ambiente y del ritmo al cual se produce la deposicin de los sedimentos. La descomposicin de este material orgnico es completa en un medio ambiente rico en oxgeno y los productos principales sern CO2 y H2S. Si la deposicin se produce en un medio ambiente que carece de oxgeno la preservacin de estos materiales ser completa. En estas condiciones los carbohidratos (CH2O) reaccionan de una manera parcial con O2 para formar CO2 y cadenas de hidrocarburos (CH2). Esto incluye la reduccin parcial de los carbonos durante una serie compleja de reacciones qumicas. Si este material orgnico no es enterrado, la accin bacteriana va reducir el mismo a CO 2 y H2S. Como se ve para que el material orgnico se conserve y se produzcan las condiciones favorables para que se origine petrleo se requiere la presencia de un medio ambiente reductor y una deposicin rpida de los sedimentos. Este material orgnico primitivo que originar los depsitos de petrleo se denomina kergeno. La mejor roca madre para la gnesis de este material son las lutitas. Estas rocas son de grano muy fino y de un color gris oscuro. Es muy raro que el kergeno se origine en formaciones como arenas. Estas rocas constituyen un medio ambiente muy riguroso para la preservacin del kergeno. Las lagunas, pantanos y medio ambientes marinos profundos, todos ambientes de reducido contenido de oxgeno (ambientes reductores) son los lugares ms favorables para que el kergeno se forme. En resumen, el material a partir del cual se origina el petrleo se denomina kergeno y es una forma ligeramente alterada de organismos muertos, sean estos de origen animal o vegetal. El kergeno se origina en una roca madre que es por lo general lutita. Esta roca de grano muy fino representa al medio ambiente reductor y de rpida deposicin que se requiere para que el fenmeno se lleve a cabo. El rea costera de Louisiana (EE.UU) constituye un ejemplo clsico de este ambiente.

RIF: J -30482511-0 La transformacin del kergeno a petrleo se hace mediante una serie muy compleja de reacciones qumicas que los gelogos aun no entienden de una manera completa. Se sabe que el proceso se halla controlado por dos variables mayores, que son la temperatura y la presin del medio ambiente. El incremento de temperatura y de presin son los factores responsables de la degradacin de este material en lo que conocemos como petrleo. Este proceso se acelera con el incremento de la temperatura y por cada 10F de incremento de la temperatura el tiempo de reaccin se acelera al doble. A medida que el kergeno y la formacin que lo envuelve se ven enterrados por una secesin de capas nuevas la temperatura se ve incrementada. Los gradientes geotrmicos de reas que producen petrleo son de 30C. El tiempo es un factor importante tal cual se ilustra en la Figura 11. Cuanto ms joven es una formacin mayor ser la temperatura necesaria para que la transformacin kergeno-petrleo s produzca.

Figura 11 Generacin de Petrleo: Temperatura vs. tiempo

Como ya se mencion, la mejor roca madre es la lutita. Cuando esta roca se deposita, los granos individuales se hallan orientados al azar y empacados de una forma muy suelta. Como consecuencia la porosidad es elevada. Pero con tiempo la sobrecarga ejercida por las capas nuevas que se van agregando a la cuenca sedimentaria donde la deposicin ocurre van a comprimir los sedimentos de una manera que la porosidad se ve gradualmente reducida. Como ejemplo se muestra el siguiente clculo: Al momento de la deposicin la porosidad pudo haber sido hasta de 45%. A los 5,000 pies la porosidad es reducida a 25%, siendo la porosidad a 12.000 pies de 3-5%. A medida que la formacin es compactada el agua que los poros contenan de una manera original es lentamente exprimida. Antes de que el kergeno se convierta en petrleo ms del 90% del agua presente va ser desalojada. A medida que el proceso prosigue la compactacin, expansin trmica y presin capilar hacen que el hidrocarburo migre y abandone la roca madre y se aloje en formaciones de mayor porosidad y menor plasticidad como son las arenas. Las arenas y

RIF: J -30482511-0 calizas van a ser las formaciones que alojan al petrleo y normalmente estn en estrecho contacto con las lutitas.

2.3.9) Proceso de la migracin. Como el material orgnico inicial del cual procede el petrleo se encuentra disperso, los productos resultantes de su transformacin (gas o petrleo) tambin estarn dispersos en la roca madre petrolfera, normalmente arcilla. El petrleo es lquido y el gas es gaseoso, por lo que tendrn mayor movilidad que el carbn, igual que el agua que queda como residuo. As podrn moverse, de forma que normalmente las acumulaciones de petrleo y gas migran, por lo que no se van a encontrar all donde se formaron. Los gelogos denominan a este fenmeno migracin, que puede ser primaria o secundaria. Como resultado de la migracin primaria, el petrleo y el gas se van a colocar en las rocas vecinas, siempre que sean porosas. Las causas de esto pueden ser un desalojamiento forzado, difusin (el petrleo busca otro sitio; los que ms se difunden sern los gases), desplazamiento debido al agua, presin por causa de los estratos, filtracin por los poros de las rocas almacenadoras, puede viajar como mezcla de gas y vapor cuando hay grandes temperaturas y presiones. Esta masa de petrleo y gas va a moverse posteriormente hacia arriba, en lo que se denomina migracin secundaria, a travs de los estratos porosos y como consecuencia de la gravedad o de la presin de las placas tectnicas. Emigra hasta llegar a la roca impermeable que no permite la difusin a travs de ella.

2.3.10) Yacimientos de Petrleo. Como se vio anteriormente, el petrleo se origina en formaciones lutticas pero migra abandonado la roca madre. El petrleo se va alojar en formaciones de alta permeabilidad que permiten la explotacin comercial del mismo. La porosidad y permeabilidad son dos rasgos sobresalientes de las formaciones que van a acumular el petrleo. Los yacimientos son bsicamente de arenas y calizas. Las acumulaciones de petrleo a lo largo del mundo se hallan divididas de una forma aproximadamente igual entre estos dos tipos. Los reservorios van de edades de 570 millones de aos a unos pocos millones. En los yacimientos de arena, por lo general se tiene una porosidad del 10-35% siendo la permeabilidad como se vio la medida de la habilidad de la formacin de permitir el paso del petrleo. Los poros de un yacimiento tpico se hallan llenos de agua y/o petrleo y gas. Cada yacimiento contendr cantidades variables de agua. El agua puede llenar los poros o presentarse como una pelcula fina que envuelve a los granos.

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AGUA CON NATA

PETRLEO

AGUA CON FINOS HMEDOS

Figura 12 Yacimiento de Arena

Muchos de los yacimientos ms grandes del mundo representan un ambiente de playa como el gigantesco campo de Texas de Woodbine. Otros yacimientos de arenas representan ambientes deltaicos como los del Ro Mississippi. Estos depsitos son especialmente interesantes ya que los sedimentos acumulados fueron generados cerca de la costa y transportados y depositados en un ambiente marino profundo. Los yacimientos de arena varan en sus edades pero todos tienen buenas porosidades y se hallan cerca a la roca madre. Por su parte, los carbonatos que pueden ser yacimientos petrolferos incluyen a calizas, margas y rocas de origen orgnico, producidas por la acumulacin de conchas y esqueletos de animales. Los clculos de porosidad y de permeabilidad en estos yacimientos son difciles y generalmente imprecisos, pero por lo general vara entre 7 - 25%. Los depsitos de rocas carbonceas pueden originarse en diversos medio ambientes. Los ms frecuentes incluyen a: Lagunas Turbiditas Bancos coralinos

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Figura 13 Origen de Formaciones Carbonceas Fuente: www.tacarigua.com.ve/gas7.gif

2.3.10.1) Trampas petrolferas.

Se ha indicado que las rocas que contienen el petrleo son arenas y carbonatos. Pero no se puede contar con la presencia de yacimientos si no se tiene una trampa, que evite la migracin del petrleo. Una trampa se define como una barrera que evita la migracin del petrleo. Sin la presencia de la trampa el petrleo seguira migrando hasta alcanzar la superficie y escapar de esta manera. Las trampas se clasifican en: Estructurales. Estratigrficas. De combinacin.

Las trampas estructurales son aquellas que se originan a travs de deformaciones en las capas de roca (fenmenos tectnicos) tales como un anticlinal o una falla. Los sedimentos son depositados en general en capas horizontales, siendo paralelas entre ellas. Escapan a esta regla los sedimentos depositados en las dunas. Si estas capas de sedimentos son alteradas y deformadas por movimientos tectnicos se pueden generar las denominadas trampas estructurales. Los sedimentos de acuerdo a su naturaleza pueden

RIF: J -30482511-0 deformarse plegndose o fracturndose al ser afectados por movimientos tectnicos. Si los sedimentos son plsticos las posibilidades son que los mismos se deformen plegndose. Hay dos tipos de posibles plegamientos: Anticlinal: Es un pliegue convexo hacia arriba o en forma de letra A. En un anticlinal, las capas ms antiguas o estratos ms antiguos estarn hacia el centro de la curvatura. El anticlinal es posiblemente la estructura de mayor importancia en la bsqueda de hidrocarburos. Sinclinal: Es un pliegue cncavo hacia arriba o en forma de U. En este caso, las rocas ms jvenes se encuentran hacia el centro de la curvatura.

Otro tipo de pliegue puede ser producido por la presencia de un domo de sal. En este caso las capas van a inclinarse en diversos ngulos a partir de la estructura del domo. De acuerdo a la naturaleza de cada formacin stas se fracturarn o se plegarn.

Figura 14: Trampa Estructural (anticlinal).

En algunos casos las formaciones se fracturan mecnicamente bajo la accin de las fuerzas tectnicas produciendo lo que los gelogos denominan fallas. En este caso, grandes bloques de las formaciones fracturadas se desplazan uno respecto al otro a lo largo del plano de la falla. Las fallas se pueden clasificar en:

Fallas Normales. Fallas Inversas. Fallas Transversales. Fallas rotacionales.

RIF: J -30482511-0 Fallas Oblicuas.

Figura 15: Trampa Estructural (falla).

Falla normal: Este tipo de fallas se generan por tensin horizontal. El movimiento es predominantemente vertical respecto al plano de falla, el cual tpicamente tiene un ngulo de 60 grados respecto a la horizontal. El bloque que se desliza hacia abajo se le denomina bloque de techo, mientras que el que se levanta se llama bloque de piso. Otra manera de identificar estas fallas es la siguiente. Si se considera fijo al bloque de piso (aquel que se encuentra por debajo del plano de falla) da la impresin de que el bloque de techo cae con respecto a este.

Falla inversa: Este tipo de fallas se genera por compresin horizontal. El movimiento es preferentemente horizontal y el plano de falla tiene tpicamente un ngulo de 30 grados respecto a la horizontal. El bloque de techo se encuentra sobre el bloque de piso.

Falla transversal: Estas fallas son verticales y el movimiento de los bloques es horizontal. Se distinguen dos tipos de fallas de desgarre: derechas e izquierdas. Derechas, o diestras, son aquellas en donde el movimiento relativo de los bloques es hacia la derecha, mientras que en las izquierdas, o siniestras, es el opuesto.

Falla rotacional: Es la que se origina por un movimiento de basculamiento de los bloques que giran alrededor de un punto fijo, como las dos partes de una tijera.

RIF: J -30482511-0 Falla oblicua: Es aquella que presenta movimiento en una componente vertical y una componente horizontal.

En el caso de las trampas estratigrficas la estructura que entrampa al petrleo no es de naturaleza estructural sino que se halla controlada por el medio ambiente deposicional. Algunas trampas estratigrficas se originan por acuamiento de la roca reservorio, cambios en la secuencia de deposicin o cambios posteriores en la roca reservorio (como el caso de dolomitizacin en las rocas de carbonato) los cuales tienden a reducir la porosidad.

La exploracin en trampas estratigrficas es difcil y de gran riesgo. Muchas veces este tipo de depsitos son descubiertos de una forma accidental al perforar yacimientos que se hallan ubicados a mayor profundidad. Las investigaciones por estas estructuras deben incluir la perforacin de pozos exploratorios e interpretacin geossmica. En lneas generales las trampas estratigrficas no son tan ventajosas y provechosas como lo son las trampas estructurales.

Figura 16: Trampa Estratigrfica.

Finalmente, como el nombre lo indica estas trampas son una combinacin de las dos anteriormente analizadas. Los yacimientos ms notorios de esta ndole se hallan ubicados en Texas, Louisiana. Las Tizas de Austin son un ejemplo clsico de este tipo de trampa.

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Figura 17: Trampa Mixta.

RIF: J -30482511-0 CAPTULO 3: FUNDAMENTOS DE PERFORACIN ROTARIA. La industria petrolera comenz en 1859 utilizando el mtodo de perforacin a percusin, llamado tambin a cable. Se identific con estos dos nombres porque para penetrar las formaciones se utiliz una barra de configuracin, dimetro y peso adecuado, sobre la cual se enrosca una seccin adicional metlica fuerte para darle ms peso, rigidez y estabilidad. Por encima de esta pieza se enrosca un percutor eslabonado para hacer efectivo el momento de impacto (altura x peso) de la barra contra la roca. Al tope del percutor va conectado el cable de perforacin. Las herramientas se hacen subir una cierta distancia para luego dejarlas caer libremente y violentamente sobre el fondo del hoyo. Esta accin repetitiva desmenuza la roca y ahonda el hoyo. A pesar de que este mtodo se emple durante ms de 60 aos en la industria petrolera, a la larga fue sustituido por la perforacin rotaria.

Figura 18: Esquema de la perforacin a percusin

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La perforacin rotatoria se utiliz por primera vez en 1901, en el campo de Spindletop, cerca de Beaumont, Texas, descubierto por el capitn Anthony F. Lucas, pionero de la industria como explorador y sobresaliente ingeniero de minas y de petrleos. Este nuevo mtodo de perforar trajo innovaciones que difieren radicalmente del sistema de perforacin a percusin, que por tantos aos haba servido a la industria. Los componentes del taladro son: El Sistema de Potencia. El sistema de levantamiento. El sistema rotatorio. El Sistema de circulacin de fluido de perforacin. El sistema de seguridad impide reventones. En la Figura xx se puede apreciar la disposicin e interrelacin de los componentes constituyentes de los sistemas antes mencionados. La funcin principal del taladro es construir un hoyo lo ms econmicamente posible, de modo que ste pueda servir como punto de drenaje eficaz del yacimiento. Lo ideal sera que el taladro estuviese perforando todo el tiempo pero la utilizacin y el funcionamiento del taladro mismo y las operaciones conexas para hacer y terminar el hoyo requieren hacer altos durante el curso de los trabajos.

3.1) Sistema de Potencia.

La potencia de la planta debe ser suficiente para satisfacer las exigencias del sistema de levantamiento, del sistema rotatorio y del sistema de circulacin del fluido de perforacin. La potencia mxima terica requerida est en funcin de la mayor profundidad que pueda hacerse con el taladro y de la carga ms pesada que represente la sarta de tubos requerida para revestir el hoyo a la mayor profundidad. Por encima de la potencia terica estimada debe disponerse de potencia adicional. Esta potencia adicional representa un factor de seguridad en casos de pega de la tubera de perforacin o de la de revestimiento, durante su insercin en el hoyo y sea necesario templar para librarlas. Naturalmente, la torre o cabria de perforacin debe tener capacidad o resistencia suficientes para aguantar la tensin que se aplique al sistema de levantamiento. Cuando el sistema de levantamiento requiere toda la potencia disponible, sta puede utilizarse plenamente. De igual manera, durante la perforacin, la potencia puede distribuirse entre el sistema rotatorio y el de circulacin del fluido de perforacin.

La planta consiste generalmente de dos o ms motores para mayor flexibilidad de intercambio y aplicacin de potencia por engranaje, acoplamientos y embragues adecuados a un sistema particular. Estos motores pueden ser:

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Figura 19: El taladro de perforacin rotaria y sus partes

RIF: J -30482511-0 Motores mecnicos. Motores elctricos. Motores electromecnicos.

En la siguiente tabla se muestra una relacin entre la profundidad a perforar y la potencia nominal de levantamiento requerida.

Profundidad (m) 1300 - 2200 2100 - 3000 2400 - 3800 3600 - 4800 3600 - 5400 3900 - 7600 4800 - 9100

Potencia (HP) 550 750 1000 1500 2100 2500 3000

Tabla 1: Potencia nominal de levantamiento vs. Profundidad

Tabla 3-1.3.2) Sistema de levantamiento. Durante cada etapa de la perforacin, y para las subsecuentes tareas complementarias de esas etapas para introducir en el hoyo la sarta de tubos que reviste la pared del hoyo, la funcin del sistema de levantamiento es esencial. Meter en el hoyo, sostener en el hoyo o extraer de l tan pesadas cargas de tubos, requiere de un sistema de levantamiento robusto, con suficiente potencia, aplicacin de velocidades adecuadas, freno eficaz y mandos seguros que garanticen la realizacin de las operaciones sin riesgos para el personal y el equipo. Los componentes principales del sistema de levantamiento son: 1) El malacate: Ubicado entre las dos patas traseras de la cabria, sirve de centro de distribucin de potencia para el sistema de levantamiento y el sistema rotatorio. Su funcionamiento est a cargo del perforador, quien es el jefe inmediato de la cuadrilla de perforacin. El malacate consiste del carrete principal, de dimetro y longitud proporcionales segn el modelo y especificaciones generales. El carrete sirve para devanar y mantener arrollados cientos de metros de cable de perforacin. Por medio de adecuadas cadenas de transmisin, acoplamientos, embragues y mandos, la potencia que le transmite la planta de fuerza motriz puede ser aplicada al carrete principal o a los ejes que accionan los carretes auxiliares, utilizados para enroscar y desenroscar la tubera de perforacin y las de revestimiento o para manejar tubos, herramientas pesadas u otros implementos que sean necesarios llevar al piso del taladro. De igual manera, la fuerza motriz puede ser dirigida y aplicada a la rotacin de la sarta de perforacin.

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La transmisin de fuerza la hace el malacate por medio de la disponibilidad de una serie de bajas y altas velocidades, que el perforador puede seleccionar segn la magnitud de la carga que representa la tubera en un momento dado y tambin la ventaja mecnica de levantamiento representada por el nmero de cables que enlazan el conjunto de poleas fijas en la cornisa de la cabria con las poleas del bloque viajero. El malacate es una mquina cuyas dimensiones de longitud, ancho y altura varan, naturalmente, segn su potencia. Su peso puede ser desde 4,5 hasta 35,5 toneladas, de acuerdo con la capacidad de perforacin del taladro.

Figura 20: Malacate usado en los aos 20 y malacate actual

2) El cable de perforacin: El cable de perforacin, que se enrolla y desenrolla del carrete del malacate, enlaza los otros componentes del sistema de levantamiento como son el bloque fijo ubicado en la cornisa de la cabria y el bloque viajero. El cable de perforacin consta generalmente de seis ramales torcidos (pueden ser ms de seis). Cada ramal est formado a su vez por seis o nueve hebras exteriores torcidas tambin que recubren otra capa de hebras que envuelven el centro del ramal. Finalmente, los ramales cubren el centro o alma del cable que puede ser formado por fibras de acero u otro material como camo. La torcida que se le da a los ramales puede ser a la izquierda o a la derecha, pero para los cables de perforacin se prefiere a la derecha. Los hilos de los ramales pueden ser torcidos en el mismo sentido o contrario al de los ramales. Estas maneras de fabricacin de los cables obedecen a condiciones mecnicas de funcionamiento que deben ser satisfechas. El cable tiene que ser fuerte para resistir grandes fuerzas de tensin; tiene que aguantar el desgaste y ser flexible para que en su recorrido por las poleas el tanto doblarse y enderezarse no debilite su resistencia; tiene que ser resistente a la abrasin y a la corrosin. Normalmente, el dimetro de los cables de perforacin es de 22 mm a 44 mm; con valores intermedios que se incrementan en 3,2 mm, aproximadamente. Segn el calibre y el tipo de fabricacin del cable, su resistencia mnima de ruptura en tensin puede ser de 31 a 36 toneladas, y la mxima de 75 a 139 toneladas. El peso por metro de cable va desde 2 kg

RIF: J -30482511-0 hasta 8,5 kg segn el dimetro. Por tanto, el peso de unos 100 metros de cable representa 200 a 850 kg.

Figura 21: Diagrama simplificado del Sistema de Levantamiento

Figura 22: Diagrama transversal y longitudinal del cable de perforacin

RIF: J -30482511-0 3) La torre o cabria: Se fabrican varios tipos de cabrias: porttil y autopropulsada, montadas en un vehculo adecuado; telescpicas o trpodes que sirven para la perforacin, para el reacondicionamiento o limpieza de pozos.

La silueta de la cabria es de tipo piramidal y la ms comn y ms usada es la rgida, cuyas cuatro patas se asientan y aseguran sobre las esquinas de una subestructura metlica muy fuerte. La parte superior de esta subestructura, que forma el piso de la cabria, puede tener una altura de 4 a 8,5 metros. Esta altura permite el espacio libre deseado para trabajar con holgura en la instalacin de las tuberas, vlvulas y otros aditamentos de control que se ponen en la boca del hoyo o del pozo. Entre pata y pata, la distancia puede ser de 6,4 a 9,1 metros, segn el tipo de cabria y el rea del piso estara entre 40 y 83 metros cuadrados.

La altura de la cabria puede ser de 26 a 46 metros. A unos 13, 24 27 metros del piso, segn la altura total de la cabria, va colocada una plataforma, donde trabaja el encuellador cuando se est metiendo o sacando la sarta de perforacin. Esta plataforma forma parte del arrumadero de los tubos de perforacin, los cuales por secciones de dos en dos (pareja) o de tres en tres (triple) se paran sobre el piso de la cabria y por la parte superior se recuestan y aseguran en el encuelladero.

La longitud total de tubera de perforacin o de tubera de produccin que pueda arrumarse depende del dimetro de la tubera. Como la carga y el rea que representan los tubos arrumados verticalmente son grandes, la cabria tiene que ser fuerte para resistir adems las cargas de vientos que pueden tener velocidad mxima de 120 a 160 kilmetros por hora (km/h). Por tanto, los tirantes horizontales y diagonales que abrazan las patas de la cabria deben conformar una estructura firme. Por otra parte, durante la perforacin la tubera puede atascarse en el hoyo, como tambin puede atascarse la tubera revestidora durante su colocacin en el hoyo. En estos casos hay que desencajarlas templando fuertemente y por ende se imponen a la cabria y al sistema de levantamiento, especficamente al cable de perforacin, fuertes sobrecargas que deben resistir dentro de ciertos lmites. En su tope o cornisa, la cabria tiene una base donde se instala el conjunto de poleas fijas (cuadernal fijo). Sobre la cornisa se dispone de un caballete que sirve de auxiliar para los trabajos de mantenimiento que deben hacerse all.

4) El aparejo o polipasto: Para obtener mayor ventaja mecnica en subir o bajar los enormes pesos que representan las tuberas, se utiliza el aparejo o polipasto. Del carrete de abastecimiento se pasa el cable de perforacin por la roldana de la polea del cuadernal de la cornisa y una roldana del bloque viajero, y as sucesivamente hasta haber dispuesto entre los dos cuadernales el nmero de cables deseados. La punta del cable se ata al carrete del malacate, donde luego se enrollar y desenrollar la longitud de cable deseado. Este cable -del malacate a la cornisa- es el cable vivo, mvil o lnea rpida, que se enrolla o desenrolla del malacate al subir o bajar el bloque viajero. Como podr apreciarse el cable vivo est sujeto a un severo funcionamiento, fatiga y desgaste.

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El resto del cable que permanece en el carrete de abastecimiento no se corta sino que se fija apropiadamente en la pata de la cabria. Este cable -de la pata de la cabria a la cornisa- no se mueve y se le llama cable muerto; sin embargo, est en tensin y esto es aprovechado para colocarle un dispositivo que sirve para indicar al perforador el peso de la tubera. Cuando por razones de uso y desgaste es necesario reemplazar el cable mvil, se procede entonces a desencajarlo del malacate, cortarlo y correrse el cable entre la polea fija y el bloque viajero, supliendo cable nuevo del carrete de almacenamiento.

Generalmente, el nmero de cables entre el bloque fijo y el bloque viajero puede ser 4, 6, 8, 10, 12 o ms, de acuerdo al peso mximo que deba manejarse. Tambin debe tomarse en consideracin el nmero de poleas en la cornisa y el bloque, y adems el dimetro del cable y la ranura por donde corre el cable en las poleas. El bloque viajero es una pieza muy robusta que puede pesar entre 1,7 y 11,8 toneladas y tener capacidad de carga entre 58 y 682 toneladas, segn sus dimensiones y especificaciones. Forma parte del bloque viajero un asa muy fuerte que lleva en su extremo inferior, del cual cuelga el gancho que sirve para sostener la junta giratoria del sistema de rotacin durante la perforacin. Del gancho cuelgan tambin eslabones del elevador que sirven para colgar, meter o sacar la tubera de perforacin.

El funcionamiento y trabajo del aparejo puede apreciarse por medio de los siguientes conceptos: Cuando se levanta un peso por medio del uso de un aparejo sencillo de un solo cable, el cable mvil es continuo. La velocidad de ascenso es igual en el cable que sujeta el peso y en el cable que se arrolla en el malacate. De igual manera, la tensin, descartando fuerzas de friccin, es igual en ambos cables. El porcentaje de eficiencia de este simple sistema es 100%, lo cual puede comprobarse por la frmula:

E= 1/1,04

N-1

donde N representa el nmero de cables entre el bloque fijo y el viajero. Entonces, para N = 1N-1 1-1

E= 1/1,04

= 1/1,04

= 1 100%

S el sistema tuviese cuatro cables entre los bloques, su eficiencia en velocidad sera reducida:

E= 1/1,04

4-1

= 1/1,04 = 0,8889 88,89%

3

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Pero se gana en que el peso lo soportan cuatro cables y de acuerdo con la resistencia de ruptura del cable en tensin, el sistema permite manejar pesos mayores. Sin embargo, sobre la velocidad de ascenso de la carga, debe observarse que, en el primer caso, por cada metro de ascenso se arrollan cuatro metros en el malacate. Con respecto a la fuerza de tensin que el malacate debe desarrollar al levantar la carga, se aprecia que en el caso del polipasto de un solo cable es 100 %, o equivalente a la tensin que ejerce la carga. Esto se verifica por la siguiente frmula:

F = 1 / (N x E) = 1 / (1 x 1) = 1

En la que N representa el nmero de cables entre la cornisa y el bloque, y E la eficiencia calculada antes. Para el segundo caso, el factor de tensin en el cable mvil para levantar la carga es mucho menor, debido a que cuatro cables enlazan las poleas:

F = 1 / (N x E) = 1 / (4 x 0,8889) = 0,2812

Por tanto, se podrn apreciar las ventajas mecnicas y las razones por las que en la prctica los componentes del sistema de izaje son seleccionados de acuerdo con las exigencias de la perforacin, que pueden ser para un hoyo somero, profundo o muy profundo.

Figura 23: Cable mvil continuo, ms velocidad con mayor tensin. Con ms cables entre poleas habr menor velocidad y menor tensin en el cable mvil.

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3.3) Sistema rotatorio.

El sistema rotatorio es parte esencial del taladro o equipo de perforacin. Por medio de sus componentes se hace el hoyo hasta la profundidad donde se encuentra el yacimiento petrolfero. Se disponen de tres tipos de sistemas giratorios: Perforacin con Junta Kelly. Perforacin con Top Drive. Perforacin con motor de fondo.

3.3.1) Perforacin con Junta Kelly.

Este sistema posee como elementos principales la mesa rotaria y la Junta Kelly. La mesa rotaria es la parte del taladro de perforacin a la cual la perforacin rotaria debe su nombre, es la mquina que hace girar la sarta de perforacin. La mesa rotaria va instalada en el centro del piso de la cabria. Descansa sobre una base muy fuerte, constituida por vigas de acero que conforman el armazn del piso, reforzado con puntales adicionales.

La mesa tiene dos funciones principales: impartir el movimiento rotatorio a la sarta de perforacin y sostener todo el peso de esta sarta mientras se le enrosca otro tubo para seguir ahondando el hoyo. Adems, sta tiene que aguantar cargas muy pesadas durante la metida de la sarta de revestimiento en el hoyo. Por tanto, y segn la capacidad del taladro, la mesa tiene que resistir cargas estticas o en rotacin que varan segn la profundidad del pozo. Estas cargas pueden acusar desde 70 hasta 1.000 toneladas. De all que su construccin sea recia, de 1,20 a 1,5 metros de dimetro, con pistas y rolineras de aceros de alta calidad, ya que la velocidad de rotacin requerida puede ser de muy pocas a 500 revoluciones por minuto. Las dimensiones generales de ancho, largo y altura de la mesa rotatoria varan segn especificaciones y su robustez puede apreciarse al considerar que su peso aproximado es de 2 a 12 toneladas. Su dimensin principal y la que representa su clasificacin es la apertura circular que tiene en el centro para permitir el paso de barrenas y tuberas de revestimiento. Esta apertura nica y mxima que tiene cada colisa permite que se les designe como de 305, 445, 521, 698, 952 1.257 mm, que corresponden respectivamente a 12, 171/2, 201/2, 271/2, 371/2, y 491/2 pulgadas de dimetro. A la mesa se le puede impartir potencia de manera exclusiva acoplndole una motriz independiente. Pero generalmente su fuerza de rotacin se la imparte la planta motriz del taladro, a travs del malacate, por medio de transmisiones, acoplamientos y mandos apropiados.

Por su parte, la barra Kelly es otro elemento importante de este sistema rotacional. Generalmente tiene configuracin cuadrada, hexagonal, o redonda y acanalada, y su longitud puede ser de 12, 14 16,5 metros. Su dimetro nominal tiene rangos que van de

RIF: J -30482511-0 6 cm hasta 15 cm, y dimetro interno de 4 cm a 9 cm. El peso de esta junta vara de 395 kg a 1,6 toneladas. Esta pieza se conoce por el nombre propio de su inventor, Kelly. La mayora de las veces tiene forma cuadrada; en castellano le llaman el cuadrante. La junta tiene roscas a la izquierda y la conexin inferior que se enrosca a la sarta de perforacin tiene roscas a la derecha. La kelly, como podr deducirse por su funcin, es en s un eje que lleva un buje especial que encastra en la colisa y por medio de este buje la colisa le imparte rotacin. Como la kelly est enroscada a la junta giratoria y sta a su vez cuelga del bloque viajero, el perforador hace bajar lenta y controladamente el bloque viajero y la kelly se desliza a travs del buje y de la colisa. Una vez que toda la longitud de la kelly ha pasado por el buje, el hoyo se ha ahondado esa longitud, ya que la sarta de perforacin va enroscada a la kelly. Para seguir profundizando el hoyo, el perforador iza la kelly, desencaja el buje de la colisa, el cual queda a cierta altura de la mesa, para permitir que sus ayudantes, los cueros, coloquen cuas apropiadas entre el tubo superior de la sarta de perforacin y la colisa para que cuando el perforador baje la sarta lentamente sta quede colgando segura y firmemente de la colisa. Entonces se puede desenroscar la kelly para agregar otro tubo de perforacin a la sarta. Agregado el nuevo tubo, se iza la sarta, se sacan las cuas y se baja la parte superior del nuevo tubo hasta la colisa para volver a acuar y colgar la sarta otra vez y luego enroscarle una vez ms la kelly, izar, sacar las cuas, encastrar el buje en la colisa, rotar y continuar as ahondando el hoyo la longitud de la kelly otra vez.

Por su funcin, por las cargas estticas y dinmicas a que est sometida, por los esfuerzos de torsin que se le imponen, porque su rigidez y rectitud son esenciales para que baje libremente por el buje y la colisa, la kelly es una pieza que tiene que ser fabricada con aleaciones de los aceros ms resistentes, muy bien forjados y adecuadamente tratados al calor. Durante las tareas de meter y sacar la sarta de perforacin del hoyo, es necesario utilizar la polea viajera, su gancho y elevadores por mucho tiempo. Por esto, la junta kelly y la junta giratoria son entonces apartadas y la kelly se introduce en el hoyo de descanso, dispuesto especialmente para este fin.

Figura 24: Diagrama de la mesa rotaria con la Barra Kelly / Barras Kelly hexagonales y Cuadradas.

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3.3.2) Perforacin con Top Drive. Un Top Drive es un motor hidrulico o elctrico suspendido en la cabria o torre de un taladro de perforacin, el cual hace rotar la sarta de perforacin y mecha para construir un pozo. El top drive tambin debe estar en capacidad de soportar el peso de la sarta de perforacin durante los viajes de tubera. El uso de este sistema tiene sus ventajas y desventajas.

Ventajas: Permite perforar en parejas o lingadas. Disminuye los tiempos de conexin. Mayor facilidad para la ejecucin de maniobras.

Desventajas: Requiere un tiempo de instalacin relativamente largo. Necesita de un tiempo de entrenamiento para la cuadrilla. Es costoso. A la larga puede producir pandeo en la cabria de perforacin.

Figura 25: Top Drive.

3.3.3) Perforacin con Motor de fondo. Un motor de fondo es un motor helicoidal de dos o ms etapas, que consta adicionalmente de una vlvula de descarga, un conjunto de bielas, cojinetes y ejes. Posee

RIF: J -30482511-0 una cavidad en forma de espiral forrada en caucho conocida como estator, y una seccin transversal helicoidal conocida como rotor.

El fluido de perforacin entra en la cavidad espiral y hace que el rotor se desplace y gire, generando una fuerza de torsin que se transmite a la mecha. Siempre existir una diferencia entre el espacio ocupado por el rotor con respecto al estator (5/6, 6/7, etc) para que pueda generarse la torsin.

Una de las caractersticas importantes al momento de seleccionar un motor de fondo es decidir lo que se desea obtener de l, ms RPM o mayor potencia. La regla universal indica que a mayor relacin de Lobe rotor / estator mayor ser la potencia o torque y menor las RPM. En caso contrario, a menor relacin de Lobe rotor / estator habr menos potencia y ms RPM.

Figura 26: Esquema de un motor de fondo / Distintas relaciones Lobe Rotor / Estator

3.3.4) Otros elementos constituyentes del Sistema Rotatorio. Otros equipos importantes constituyentes del sistema rotatorio son la junta giratoria (Swivel por su nombre en ingls) y la manguera de fluido (Rotary hose).

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La junta giratoria tiene tres puntos importantes de contacto con tres de los sistemas componentes del taladro. Por medio de su asa, cuelga del gancho del bloque viajero. Por medio del tubo conector encorvado, que lleva en su parte superior, se une a la manguera del fluido de perforacin, y por medio del tubo conector que se proyecta de su base se enrosca a la junta kelly. Tanto por esta triple atadura y su propia funcin de sostener pesadas cargas, girar su conexin con la kelly y resistir presin de bombeo hasta 352 kg/cm3, la junta tiene que ser muy slida, contra fuga de fluido y poseer rolineras y pista de rodaje resistentes a la friccin y el desgaste. La seleccin de su robustez depende de la capacidad mxima de perforacin del taladro. La junta por s sola puede pesar entre 0,5 y 3,3 toneladas.

3.4) El sistema de Circulacin de Fluido de Perforacin.

Una parte esencial del proceso de perforacin rotaria es el sistema de circulacin comnmente llamado sistema de lodo. Para que la perforacin del pozo pueda llevarse a cabo exitosamente, los recortes generados deben ser removidos del fondo del pozo hacia la superficie. Es as como el fluido debe ser bombeado a travs de la sarta de perforacin, salir por los jets de la mecha y arrastrar los recortes por el espacio anular hasta la superficie.

El fluido de perforacin es usualmente lquido, pero tambin puede ser aire o gas. Para el caso de los lquidos, agua y varios tipos de aceite son usados como fluido base. Una o varias bombas de lodo son usadas para forzar el fluido de perforacin a lo largo de todo el circuito de circulacin del taladro. La seleccin de las bombas depende de la profundidad mxima de perforacin del taladro, que a la vez se traduce en presin y volumen del fluido en circulacin. Las bombas generalmente de dos (gemela) o tres (triple) cilindros. Cada cilindro de la gemela (dplex) descarga y succiona durante una embolada, facilitando as una circulacin continua. La succin y descarga de la triple es sencilla pero por su nmero de cilindros la circulacin es continua. Para evitar el golpeteo del fluido durante la succin y descarga, la bomba est provista de una cmara de amortiguacin. Como en la prctica el volumen y la presin requeridas del fluido son diferentes en las etapas de la perforacin, los ajustes necesarios se efectan cambiando la camisa o tubo revestidor del cilindro por el de dimetro adecuado, y tomando en cuenta la longitud de la embolada se le puede regular a la bomba el nmero de emboladas para obtener el volumen y presin deseadas. La potencia o c.d.f. (h.p.) requerida por la bomba se la imparte la planta de fuerza motriz del taladro, por medio de la transmisin y mandos apropiados. La potencia mxima de funcionamiento requerida por la bomba especifica su capacidad mxima. El fluido de perforacin es almacenado en un conjunto de tanques. Los tanques de los cuales succionan las bombas de lodo se conocen como tanques de succin. Los tanques sobre los cuales se instalan los equipos de control de slidos (trampa y asentamiento) estn

RIF: J -30482511-0 diseados para ir eliminando progresivamente los slidos presentes en el fluido que no logran remover las zarandas.

Figura 27: Circuito de circulacin del fluido de perforacin.

3.5) Sistema de Seguridad Vlvulas Impide Reventones.

El sistema impide reventones o BOP (por sus siglas en ingls), junto con otros equipos y tcnicas es usado para cortar y controlar una arremetida antes que s convierta en un reventn. Distintos modelos de BOPs son usualmente instaladas a nivel superficial en el pozo, con un preventor anular en la parte superior y dos o ms ranes en la parte inferior. El preventor anular posee un elemento sellante resistente. Cuando ste es activado por presin de fluido, el elemento sellante se cierra sobre los heavy wate, dril collar o tubera de perforacin. Los ranes por su parte, tienen dos segmentos de arietes de acero que son activados al mismo tiempo por ambos lados para sellar alrededor de la tubera de perforacin. Tanto el preventor anular como los ranes son operados por presin de fluido hidrulico. Los ranes ciegos pueden ser usados para cerrar un hoyo que no posee tubera en su interior.

Todo el sistema de la BOP es abierto y cerrado por energa hidrulica. El fluido es almacenado bajo presin en un acumulador. Lneas de alta presin mueven el fluido desde el acumulador hasta el arreglo de la BOP. Cuando el perforador acciona los controles adecuados el fluido pone en funcionamiento la BOP. Debido a que los preventores deben ser

RIF: J -30482511-0 capaces de cerrar rpidamente, el fluido hidrulico se mantiene entre 1500 3000 psi de gas nitrgeno en la unidad de acumuladores o koomey.

Figura 28: Diagrama de la BOP.

Figura 29: Preventores anulares y ranes / Batera de unidades acumuladoras.

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CAPTULO 4: QUMICA BSICA.

El desempeo de un fluido de perforacin con las formaciones con que se halla en contacto depende de la composicin, concentracin e interaccin de sus componentes y partes constituyentes. Este captulo explica los conceptos y definiciones bsicos, tanto cualitativos como cuantitativos, de la qumica relacionada con los fluidos de perforacin.

Un fluido de perforacin es un sistema complejo, compuesto de materiales que se pueden describir en trminos de las propiedades de sus partes ms simples llamadas substancias. Mientras la palabra material define a todo tipo ya sea heterogneo u homogneo, una substancia define a una materia generalmente homognea con una composicin qumica definida. Un sistema homogneo es aquel que es uniforme en cuanto a sus caractersticas qumicas se refiere, en todo punto. Si un sistema muestra propiedades discontinuas se denomina heterogneo y por definicin es una mezcla. Una mezcla donde las propiedades son continuas se denomina solucin.

Las partes individuales de un sistema heterogneo van a estar separadas por superficies que lo limitan, pero cada parte ser homognea en s. Esta propiedad de partes homogneas en un sistema heterogneo se puede llamar como fase. En un vaso de hielo, por ejemplo, el agua posee tres fases:

Hielo, fase slida Agua, fase lquida Vapor, fase gaseosa

En un vaso de t endulzado, tambin se hallan las tres fases. Aqu la fase lquida es una solucin. En estos sistemas el lquido se llama la fase continua, y el slido es la fase discontinua.

Un fluido de perforacin es una mezcla pues consiste de gases, lquidos y slidos distribuidos en una fase lquida o gaseosa. Este lquido o gas es la fase continua del fluido de perforacin, mientras que las partculas de slidos, burbujas de gas y glbulos de fluido forman la fase discontinua. Un fluido de perforacin se puede describir por sus propiedades y por las propiedades de los materiales que se han utilizado para su formulacin. Para entender el comportamiento de un fluido de perforacin es necesario tener un entendimiento bsico de la naturaleza de los materiales que lo componen y de su interaccin.

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Elemento Actinio Aluminio Americio Antimonio Argn Arsnico Astatine Bario Berkelio Berilio Bismuto Boro Bromo Cadmio Cesio Calcio Californio Carbono Cerio Cloro Cromo Cobalto Cobre Curium Disprosio Einstenio Erbio Europio Fermio Flor Francio Gadolinio Galio Germanio Oro Hafnio Helio Hoimium Hidrogeno Indio Lodo Iridio Hierro Kriptn Lantano Lawrencio Plomo Litio Lutecio Magnesio Manganeso Mendelevio

Smbolo Ac Al Am Sb Ar As At Ba Bk Be Bi B Br Cd Cs Ca Cf C Ce CI Cr Co Cu Cm Dy Es Er Eu Fm F Fr Gd Ga Ge Au Hf He Ho H In I Ir Fe Kr La Lr Pb Li Lu Mg Mn Md

Numero Atmico 89 13 96 51 18 33 85 56 17 4 83 5 35 48 55 20 98 6 58 17 24 27 29 96 66 99 68 63 100 9 87 64 31 32 79 72 2 6. 1 49 53 77 26 36 57 103 82 3 71 12 25 101

Peso Atmico 227 26.9815 243 121.75 39.948 74,92160 210 137.33 247 9.01218 208.9808 10.81 79.904 112.41 132.9054 40.08 251 12.011 140.12 35.453 51.996 58.9332 63.546 247 162.50 254 167.26 151.96 257 18.9984 223 157.25 69.72 72.59 196.9665 178.49 4.0026 164.9304 1.0079 114.82 126.9045 192.217 55.847 83.80 138.9055 260 207.2 6.941 174.97 24.305 54.9380 258

Elemento Mercurio Molibdeno Neodimio Nen Neptunio Nquel Niobio Nitrgeno Nobelio Osmio Oxgeno Paladio Fsforo Platino Plutonio Polonio Potasio Praseodimio Promethium Protactinio Radio Radn Renio Rodio Rubidio Rutenio Samario Escandio Selenio Silicio Plata Sodio Estroncio Azufre Tantalio Technetium Telurio Terbio Talio Torio Thulium Estao Titanio Tungsteno Uranio Vanadio Xenn Yterbio Ytrio Zinc Zirconio

Smbolo Hg Mo Nd Ne Np Ni Nb N No Os O Pd P Pf Pu Po K Pr Pm Pa Ra Rn Re Rh Rb Ru Sm Sc Se Si Ag Na Sr S Ta Tc Te Tb Tl Th Tm Sn Ti W U V Xe Yb Y Zn Zr

Numero Atmico 80 42 60 10 93 28 41 7 102 76 8 46 15 78 94 84 19 59 61 91 88 86 75 45 37 44 62 21 34 14 47 11 38 16 73 43 52 65 81 90 69 50 22 74 92 23 54 70 39 30 40

Peso Atmico 200.59 95.94 144.24 20.179 237.0482 58,71 92.9064 14.0067 259 190.2 15.9994 106.4 30.9738 195.09 244 209 39.0983 140.9077 145 231.0359 226.0254 222 186.2 102.9055 85.467 101.07 150.4 44.9559 78.96 28.0855 107.868 22.9898 87.62 32.06 180.9479 98.9062 127.60 158.9254 204.37 232.0381 168.9342 118.69 47.90 183.85 238.029 50.941 131.30 173.04 88.9059 65.38 91.22

Tabla 2: Tabla Peridica de los elementos.

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4.1) Unidades Fundamentales de Substancia.

Las propiedades qumicas y fsicas de las substancias se pueden relacionar con las estructuras bsicas de las unidades fundamentales (tomos y molculas) de las cuales se hallan formadas. Una substancia qumicamente nica, que no se puede hacer ms simple se denomina elemento. Todos los materiales del universo se componen de la combinacin de los 106 elementos conocidos por el hombre. El nombre de los mismos y los smbolos correspondientes se indican en la Tabla 2.

Un compuesto es formado cuando dos o ms substancias elementales se combinan, para formar una substancia nueva con propiedades fsicas diferentes de los elementos que la han originado. El hidrgeno y el oxgeno son gases a temperatura ambiente y permanecen como tales mientras se mezclan, a menos que sean inflamados. En este caso, se combinarn de una forma explosiva para formar agua, que es un lquido a temperatura ambiente. Lo que se conoce como agua es el resultado de una asociacin muy fuerte entre dos unidades del elemento hidrgeno y una unidad del elemento oxgeno. La combinacin se representa simblicamente por la formula H2O. Esto tambin identifica a la partcula ms pequea de agua que puede tener una existencia libre y estable, denominada molcula. La unidad ms pequea de un elemento que puede participar en la formacin de una molcula es el tomo. Por lo tanto los tomos son las unidades ms pequeas de un material, que pueden participar en un intercambio qumico.

Los tomos son qumicamente invisibles pero otros mtodos determinan que hallan compuestos de tres partculas diferentes: Neutrones. Protones. Electrones.

se

Los neutrones no poseen carga elctrica y tienen una masa de una unidad de masa -24 atmica 1 u.m.a. La masa actual es de 1,6 x 10 g. Los protones tambin tienen una masa de 1 u.m.a. pero poseen una carga positiva. Los electrones son ms pequeos, solamente 1/1840 u.m.a. y poseen una carga negativa. La Figura 1 describe un tomo simplificado presentando el ncleo denso conteniendo todos los neutrones y protones, rodeado por una nube difusa d electrones.

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Figura 30: Estructura Atmica

El ncleo tienen todas las cargas positivas del tomo y las cargas negativas se disponen sobre un rea mucho ms grande que cubre la nube de los electrones. Los electrones numricamente son iguales a los protones, y de esta manera el tomo es elctricamente neutro. El nmero de protones en el ncleo es denominado el nmero atmico, y determina la identidad del tomo. Cada uno de los 106 elementos se halla caracterizado por un nmero diferente de protones, teniendo por lo tanto, cada elemento un nmero atmico diferente. Muchas veces los trminos de tomo y elemento son confundidos. Cuando se dice que el hierro tiene una densidad de 7,7 se refiere al elemento. Al decir qu el hierro tiene un numero atmico de 26 se refiere a que el hierro tiene 26 protones en el ncleo. La masa de un tomo es la suma de la masa de las partculas que lo constituyen.

La descripcin de la masa de un tomo se hace mediante algo conocido como la unidad de masa atmica. De acuerdo a esto el peso atmico relativo de un tomo como el carbono es de 12.000 u.m.a. ya que el carbono tiene 6 protones y 6 neutrones. La masa de electrones se halla incluida en este nmero pero su contribucin es muy pequea. Los pesos atmicos de los elementos se hallan indicados en la Tabla 2. Generalmente el peso atmico se halla representado por la suma de los neutrones y protones. Esto no es siempre cierto ya que los tomos de un mismo elemento pueden tener un nmero diferente de neutrones en el ncleo dando por lo tanto, diferentes pesos atmicos. Por ejemplo la mayora de lo carbonos tienen 6 neutrones, pero algunos poseen 7 8. Esto hace que su peso atmico sea 13 14. El peso atmico de un elemento ser por lo tanto, un promedio de todas las formas llamadas istopos. Basado en esto el peso atmico del carbono es 12,01.

Como la molcula es una unidad que consiste de dos o ms tomos asociados, el peso molecular ser la suma de los pesos atmicos. Como ejemplo el agua tiene un peso molecular de 18. (Peso atmico del hidrgeno es 1 y el peso atmico del oxgeno es 16).

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Al trabajar con diferentes substancias es prcticamente imposible manejar tomos o -8 molculas individuales. Los tomos y molculas poseen un dimetro del orden de 1 x 10 -23 23 cm y masas del orden de 1 x10 . Sin embargo 6,02 x 10 unidades de masa de 1 u.m.a. -24 23 1,66 x 10 g pesarn 1,0 gramo. De una manera similar 6,02 x 10 tomos de carbn 23 pesan 12 gramos. Este nmero 6,02 x 10 se denomina La Constante de Avogadro y es el nmero de tomos o molculas de una substancia que se requieren para dar un peso atmico o molecular de la sustancia en gramos. Esta cantidad de tomos o molculas se conoce como mol. De acuerdo a esto un mol de agua (peso molecular 18) pesara 18 g y un mol de carbn pesara 12 g.

4.2) Interaccin Fundamental Entre Substancias.

La posicin de cada electrn con respecto al ncleo no se puede definir con precisin. La energa de cada electrn es muy precisa. Una reaccin qumica implica un cambio de energa y un arreglo nuevo de los electrones de un tomo. Esto generalmente resulta en una estructura ms estable, produciendo una unin qumica entre los tomos. Este arreglo nuevo se logra ganando, perdiendo o compartiendo electrones. Un lazo inico se refiere a la transferencia de uno o ms electrones de un tomo a otro. Estos tomos que han ganado o perdido electrones teniendo una carga determinada se denominan iones. Como los electrones se hallan cargados negativamente, al perder un electrn un tomo queda positivamente cargado. Un in de carga positiva se denomina catin y se denota con un +2 subscrito + luego del smbolo qumico. De esta manera Mg denota un in de magnesio.

Los tomos que ganan electrones quedan negativamente cargados y se denomina aniones, siendo CI la representacin de un in de cloruro. Los grupos atmicos pueden -2 ganar o perder electrones, convirtindose de esta manera en iones, siendo Co3 un in carbonato. Al producirse la transferencia de electrones cada tomo participante logra un estado energticamente ms estable con el nuevo arreglo atmico final. Al perderse uno o ms electrones, los remanentes se mantienen ms estrechamente asociados al ncleo y se harn progresivamente ms difciles de remover. Raras veces se forma una unin inica de ms de tres electrones, ya que se requiere demasiada energa para lograrlo. El sodio pierde con facilidad un electrn y el cloruro lo gana rpidamente. El resultado final es el cloruro de sodio cristalino, que se mantiene unido al compartir iones de cargas opuestas. Al ser compartido un electrn entre tomos se dice que la unin es covalente. Dos tomos de la misma molcula pueden compartir uno, dos o tres electrones formando de esta manera uniones simples, dobles o triples. Esto se puede representar mediante un diagrama indicando la Figura 31 diferentes compuestos de carbn.

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Etano

Etileno

Figura 31 Unin Covalente Monovalente y Divalente

Estos carbonos contienen uniones sencillas, dobles y triples. Este tipo de representacin se conoce como una formula estructural. Las lneas entre los elementos representan las uniones que mantiene a los tomos unidos. Las formulas indican que tomo se halla unido a que tomo, pero no describen la forma de las molculas. Se pueden presentar uniones inicas y covalentes en el mismo caso. La Figura 32 indica la estructura del carbonato de sodio. Los dos iones de sodio y el in de carbonato se hallan unidos por una unin inica, y el carbonato contiene cuatro uniones carbono-oxigeno.

2-

Na+

O C= O O

Na+

Figura 32 Estructura inica y estructural

Aqu se presentan ambos tipos de uniones y son fcilmente diferenciables. Sin embargo, esto no se produce siempre. Muchas uniones inicas poseen carcter covalente. Esto es consecuencia de una transferencia incompleta de electrones. Un ejemplo seria el bromuro de zinc (ZnBr2) que se utiliza para preparar salmueras pesadas. Este compuesto se puede escribir como Zn2+, Br2-, ya que la unin es de carcter covalente y el zinc retiene control parcial de los dos electrones envueltos en la unin qumica.

Diferentes tipos de tomos poseen una diferente afinidad por electrones. Al formarse una unin covalente la distribucin electrnica se desplaza hacia e