Capítulo II. Marco teóricoEl control de solidos

Se puede definir el proceso de control de sólidos como aquel en el cual se persigue la eliminación y remoción de la mayor cantidad posible de los sólidos indeseables generados durante el proceso de perforación, mediante la utilización de equipos especializ ados para tal fin, en función del tamaño y tipo de sólido.

El objetivo principal de un sistema de control de sólidos, es la remoción de los fragmentos y/o cortes de la formación generados durante la perforación. La inversión realizada para el control de s ólidos y para la solución de problemas relacionados a los mismos, representan una parte significativa de los costos de perforación (aproximadamente entre un 10 y 15%).

TIPOS DE SÓLIDOS

Los sólidos constituyen la fase dispersa del fluido y pueden ser: reac tivos, no reactivos, deseables e indeseables.

Sólidos Reactivos

Se caracterizan por ser de baja gravedad y tener cargas eléctricas. De acuerdo a su origen pueden ser: agregados (comerciales). Ejemplo: Bentonita e incorporados (formación) ejemplo: arcill as.

Estos sólidos arcillosos alcanzan el tamaño coloidal cuando están totalmente hidratados y son los únicos que forman revoques lisos, delgados, flexibles de baja permeabilidad y altamente compresibles, que facilitan el control de filtrado. Además, incrementan las propiedades reologicas del fluido y, en consecuencia, mejoran su capacidad de limpieza y suspensión.

Cuando estos tipos de sólidos se encuentran en porcentajes elevados, causan la floculación del fluido y en este caso se trata mecánicamente ut ilizando una centrifuga de altas revoluciones.

Sólidos No Reactivos

Estos sólidos no poseen cargas eléctricas y pueden ser de alta o baja gravedad especifica. Estos tipos de sólidos ya sean de baja o alta gravedad específica:

- Disminuyen la tasa de penetración (ROP)

- Aumentan la viscosidad plástica

- Forman revoques gruesos que reducen el espacio anular, y en consecuencia incrementan la posibilidad de un atascamiento diferencial

- Originan problemas de torque y arrastre en la tubería de perforación.

Deseables

La barita es un sólido no reactivo de alta gravedad, clasificada como sedimento, es deseable siempre que no se encuentre en tamaño ultra fino o coloidal, porque causas severos problemas de floculación, sobre todo en fluidos muy pesados.

La barita es un producto que se utiliza como material densificante y de acuerdo con (A.P.I), debe tener una gravedad específica mínima de 4,2 l.p.g.

Indeseables

Los sólidos no reactivos de baja gravedad son de formación y constituyen el peor contaminant e para cualquier tipo de fluido. Están presentes desde que se inicia hasta que finaliza la perforación y no existe mecanismo alguno que los remueva en su totalidad. La arena es el prototipo de los sólidos no reactivos de formación, es muy abrasiva y tiene una gravedad específica promedio de 2.6. Siempre es indeseable, pero realmente causas problemas cuando excede el porcentaje mínimo requerido de acuerdo con la densidad del fluido. Este tipo de sólido nunca debe exceder un porcentaje mayor al10% v/v. Por tal razón, debe ser removido en forma rápida y eficiente para evitar que se fraccione y disperse durante la circulación. De lo contrario, se hará más pequeño, por lo cual se incrementará su área superficial y, en consecuencia, los problemas operacionales.

MÉTODOS DE REMOCIÓN DE SÓLIDOS

Los sólidos perforados pueden ser removidos del sistema de circulación por tamizado, asentamient o o mediante equipos mecánicos. El tamizado consiste en la relación de partículas, mediante el uso de mallas de diferentes mesh y el asentamiento en la precipit ación de partículas, según su gravedad y tamaño. Sin embargo, el control de sólidos se puede resumir en dos mecanismos principales: químico y mecánico.

La remoción de sólidos ocurre en primera instancia por un proceso de coladura o tamizado. Parte del porcentaje de solidos que pasa a través de las mallas, precipita por gravedad en la trampa de arena, donde en segunda instancia se remueven sólidos por asentamiento. A partir de este momento, los sólidos son removidos del sistema de circulación por un proces o de centrifugación.

De los métodos de remoción de sólidos el método mecánico es, sin lugar a dudas, el medio más eficiente y económico para solucionar un problema de sólidos.

EQUIPOS MECÁNICOS DE CONTROL DE

SÓLIDOS Procesos de Remoción.

De los mecanismos que existen para controlar sólidos, el mecánico es, sin duda alguna, el mas practico y económico, pero requiere de equipos apropiados, instalaciones correctas y mantenimient o adecuado. Es necesario que cada equipo sea instalado en la secuencia corre cta; de lo contrario, pierde eficiencia y en consecuencia los sólidos perforados no son removidos sino que pasan de nuevo al sistema de circulación. En este caso se fraccionan y se hacen cada vez más pequeños y por lo tanto imposible de remover. Esta situación se evita, logrando que los equipos de control de solidos funcionen con la máxima eficiencia desde el inicio de la perforación, dado que el control de sólidos es preventivo y no curativo.

Secuencia de Instalación.

Los sólidos son removidos del sistema de circulación de acuerdo con su tamaño, es decir de mayor a menor. Es por esta razón que los equipos mecánicos deben ser instalados en secuencia, para que los sólidos no descartados por un equipo sean removidos por el equipo que le precede. En este sentido, los equipos básicos que integran el sistema de control de sólidos en cualquier taladro o gabarra de perforación, deben ser instalados en la siguiente secuencia: zaranda ,limpia lodos y centrifugas. Estos equipos, deben trabajar con la máxima eficienci a para minimizar los problemas

operacionales atribuidos al control de sólidos. Es por ello que deben ser diseñados, instalados y mantenidos adecuadamente por personal especializado. (Swaco, 2008)

ZARANDA (SHALE SHAKER)

La zaranda constituye el principal equipo que integra el sistema de control de sólidos y de su eficiencia operacional depende fundamentalmente el rendimiento del resto de los equipos. Es el único equipo que procesa todo tipo de fluido, con o sin peso, y a diferencia de los hidrociclones y de las centrifugas de decantación, separa partículas basándose en su tamaño.

La zaranda o shale shaker debe funcionar desde el inicio de la perforación con máxima eficiencia para lograr:

Máximo descarte de sólidos limpios y secos con mínima perdida de

fluido. Máxima recuperación de fluidos costosos.

Mayor durabilidad y capacidad de procesamiento de las

mallas. Mínimo daño a los equipos agua abajo.

Reducir los gastos operacionales.

Este equipo, debe operar todo el caudal en circulación, no debe operar en ningún momento con mallas rotas ni presentar fugas ni “bypass”. Debe operar con mallas finas que no causen perdidas excesivas de fluido ni sobrecarguen a los hidrociclones. Las zarandas lineales son los equipos más utilizados por la industria por su mayor eficiencia operacional. Este tipo de zaranda trabaja con mallas desde 50 hasta 250 mesh.

Es costumbre en el campo instalar mallas de diferentes tamaños en una zaranda, por supuesto que esto es un error, ya que los sólidos descartados por la malla fina, pasa al sistema de circulación a través de la malla gruesa, pero por experiencia desde el inicio de la perforación hasta que finaliza, hemos usado esta combinación por los derrames que se presentan al aumentar el galonaje a medida que se profundiza; y de tal manera que los sólidos que se van incorporando al sistema se van sacando ya sea con el mud cleaner o centrifugas decantadoras.

Toda malla descarta, de acuerdo a su punto de corte, el 84% de los sólidos cuyo tamaño sea igual o mayor al orificio de la malla. Por consiguiente, el punto de corte de la malla fina es el que predomi na en el proceso de remoción de una zaranda.

La cantidad de zaranda que integran un sistema primario en los taladros y gabarras de perforación, depende del caudal óptimo diseñado para perforar el hoyo de mayor diámetro. Es importante también mantener una buena distribución de flujo uniforme a la entrada del sistema para que cada zaranda procese el mismo caudal.

Volumen de procesamiento y capacidad de separación

El volumen de fluido que puede procesar una zaranda y la capacidad de separación de sólidos, depende principalmente de los siguientes parámetros:

Motores

Fuerza “G”

Retención de las mallas

Los motores: las características básicas de los motores de una zaranda son: antiexplosivos, trifásicos230/460, 60 Hz, de 2 a 3 HP, 1770 a 1800 RPM. La velocidad del motor es la que realmente influye en la capacidad de procesamiento y separación de partículas en una zaranda lineal.

Fuerza “G”: es la fuerza relacionada con la capacidad que tiene la zaranda para desplazar el fluido, los cortes sobre las mallas. Esta fuerza depende del porcentaje de ajuste de las contra pesas o pesos excéntricos colocados en los extremos de los motores y en otras de las RPM de los motores.

Amplitud y Emboladas: Se entiende por amplitud el recorrido de la partícula desde su posición inicial hasta el punto de máximo desplazamiento, y por embolada el doble de la amplitud. En e l movimiento circular, la amplitud es el radio del círculo y la embolada es el diámetro, mientras que en el movimiento elíptico, la embolada es el eje mayor de la elipse y la amplitud es la mitad de la embolada.Ver anexo

La embolada es un parámetro que permite describir el movimiento y la dirección de las partículas sobre las mallas. La embolada se calcula mediante una etiqueta o tarjeta que se coloca externamente sobre la superficie de la canasta (deck). La vibración origina un círculo bien definido que, conjuntamente con uno de los círculos de la tarjeta, toma la figura de un ocho. La embolada corresponde al valor del círculo tocado y la tangente entre los dos círculos indica la dirección de la partícula. Luego ese valor se toma y se usa la siguiente formula:

Fuerza G = STROKE (EMBOLADA) X (RPM)² 70490

Retención de las Mallas: la tensión de las mallas influye notablemente en su durabilidad y en la capacidad de separación de las partículas, esto quiere decir que la falta de tensión aumenta las emboladas y en consecuencia, lo que retarda la salida o el descarte de las partículas. Las bajas vibraciones por falta de tensión causan altas emboladas que facilitan la formación de una capa fina de fluido sobre las mallas, lo que trae como consecuencia la disminu ción de la conductancia o permeabilidad de las mallas. Las altas emboladas observadas durante la perforación son una demostración cualitativa del mal funcionamiento de una zaranda, razón por la cual es imprescindibl e mantener constantemente el tensionamiento de las mallas.

MALLAS (SCREEN)

La malla es uno de los componentes de la zaranda que tiene por función el control de sólidos por tamizado, y su eficiencia depende de una selección adecuada y del rendimiento del resto de los componentes de la zaranda. Para seleccionar la malla más adecuada de una zaranda, se toman en consideración varios parámetros, como:

Caudal o tasa de bomba

Densidad o peso del fluido

Viscosidad plástica

Diámetro del hoyo

Tasa de penetración

Tipo de formación

De todos estos parámetros, el caudal, el peso o la viscosidad plástica, son los que realmente toman en consideración las empresas de servicio para seleccionar las mallas de sus equipos.

Tamaño (Mesh): Este término se refiere a la cantidad de orificios que tiene la malla p or pulgada lineal. Es obvio que una malla fina tiene más orificios que una malla gruesa y por lo tanto, descarta más sólidos, pero tiende a durar menos. La malla gruesa procesa más volumen, dura más, pero descarta menos solidos indeseables.

NOTA: Después de seleccionar e instalar la malla se debe observar continuamente su comportamiento real. El factor visual es muy importante en estos casos. Por ejemplo, una bien seleccionada, instalada en una zaranda donde todos sus componentes estén funcionando adecuadamente, procesa por lo menos el 75% del caudal en circulación, en otras palabras, permite que el fluido llegue a una distancia entre 30 a 45 cm de su extremo. Sin embargo, es posible que la malla pierda capacidad de procesamiento a pesar de estar bien selec cionada. Cuando esto sucede, se debe buscar la causa del problema y no recurrir al cambio de continuo de mallas, como es costumbre de campo.

Punto de corte: Este término esta relacionado con la cantidad de partículas descartadas por una malla, un hidrociclon y una centrifuga de decantación, de acuerdo con un porcentaje establecido. El punto de corte de un amalla generalmente se refiere al diámetro de su orificio. Por ejemplo: una malla 210 tiene orificios de 98 µ y su punto de corte es precisamente 98 µ, lo cual significa que esta malla descarta el 84% de las partículas mayores a 98µ, deja pasar el 16% de las partículas menores de ese tamaño y descarta con seguridad el 50% de toda partícula cuyo tamaño este alrededor de 98 micrones. Es importante resaltar que el punto de corte no se refiere necesariamente al descarte del100% de las partículas mayores a dicho valor, por ejemplo: un punto de corte de 20µ no remueve necesariamente el 100% de las partículas mayores de 20µ. Pero, si descartara con seguridad el 50 % de las partículas que estén alrededor de ese tamaño.

Conductancia: este término está relacionado con la permeabilidad de una malla, es decir, con su capacidad de procesar fluido.

La conductancia disminuye:

Al reparar las mallas con silicón o con tapones

Por los soportes o rieles de sustentación que forman la durmiente donde descansan las mallas.

Actualmente en el mercado se esta usando mucho más las mallas piramidales por ofrecer

susmúltiples ventajas, como

son: Mayor área superficial

Mayor capacidad de procesamiento

Mayor y mejor distribución de los sólidos

Mayor recuperación de volumen liquido

Mayor porcentaje de descarte de sólidos secos

Menor desgaste del tejido

Menor posibilidad de taponamiento

Menor efecto saltarín de los sólidos

En las mallas piramidales la fuerza de gravedad obliga a los solidos a mantenerse en la parte baja de cresta, a lo largo de todo el panel. Mientras que en las convencionales, los solidos forman una

capa continua sobre ellas que reduce el paso del fluido y disminuye, en consecuencia, su permeabilidad o conductancia.

ANGULO DE INCLINACIÓN DE LAS ZARANDAS

Las zarandas lineales tienen ángulo positivo y negativo. La orientación dependerá del tipo de formación. En arena se recomienda una inclinación positiva entre 2º y 4º, y en arcilla una inclinación que puede variar entre menos 2 a mas 2º.

En la mayoría de las veces cuando se tiene una inclinación mayor de 3º, se acumulan sólidos formando una camada en la parte posterior de la zaranda.

LIMPIADOR DE LODO O MUD CLEANER

El limpiador de lodo o mud cleaner es un equipo de control de sólidos que combina desilter, desander con una malla fina.

La función básica de un limpiador de lodo consiste en hacer pasar a través de la malla fina, generalmente de 210 mesh en adelante, la descarga inferior del desilter y/o desander, recuperar barita, carbonato y descartar los sólidos perforados. Este procedimiento permite mantener libre de impurezas al fluido, sin perder densidad.

Cuando se trabaja con un mud cleaner es de suma importancia conocer la potencia del motor de la bomba centrifuga que alimenta tanto al desilter como al desander, ya que sobrepasar la relación de “4 veces la densidad del fluido, podría causar problemas de sobrecalentamiento y dañar el mot or.

Este equipo conocido como tres en uno, opera como una sola unidad integrada por un desarenador y un desilter montados sobre una zaranda lineal. Esta combinación ahorra espacio, sobre todo en las gabarras de perforación.

Este equipo tiene una gran capacidad de procesamiento y se utiliza frecuentemente, tanto en el proceso de recuperación de fases liquidas costosas y descarte de sólidos indeseables, como en el proceso de solidificación de sólidos.

HIDROCICLONES

Un hidrociclon es un cono que separa sólidos por centrifugación. En su mayoría se fabrican de poliuretano, material liviano y resistente a temperaturas y abrasividad. Algunos están constituidos por una solo pieza; otros se pueden dividir en dos o tres partes

Funcionamiento: El proceso de separación de partículas se lleva cabo de la siguiente manera: el fluido entra al cono a presión y en forma tangencial, choca contra un vértice y desarrolla una fuerz a centrifuga, la cual permite que las partículas de mayor tamaño y gravedad se separen de la fase liquida y se peguen a la pared del cono, deslizándose hacia la parte inferior por donde son descartados. Las partículas de menor tamaño y gravedad toman el centro del cono y retorna al sistema de circulación por la parte superior o línea de descarga.

DESARENADOR.

Es un equipo de control de sólidos diseñado para remover arena. Este aparato puede estar formadopor uno, dos o tres conos, generalmente de 10 o 12” de diámetro interno, con punto de corte de 40µ.

Cada cono procesa aproximadamente 500 gal/min y debe estar en capacidad de procesar el 125%

del volumen total en circulación.

La cantidad de conos que integran un desarenador se toma con base al caudal máximo a usar durante la perforación del hoyo superficial, y es por ello que la mayoría de los taladros tienen instalados desarenadotes de dos conos.

DESILTER

Es un equipo de control de sólidos diseñado para remover sedimento, partículas entre 2 y 74µ. Su capacidad de procesamiento depende del tamaño y cantidad de conos que lo integran. Generalmente tiene varios conos de 4” que manejan aproximadamente 50 gal/min c/u, con punto de corte de 20µ. Un desilter de 10 conos de 4” procesa aproximadamente 500 gal/min, y esta en capacidad de manejar el 150% del volumen total.

CENTRIFUGA DE DECANTACIÓN

Una centrifuga de decantación es un equipo de control de sólidos que r emueve sólidos por centrifugación. Está conformado por un tambor (bowl) de acero inoxidable y un transportador o tornillo helicoidal con doble conexión (screw conveyor) que gira en diferente dirección al bowl y a una velocidad ligeramente menor. Funcionamiento:

El fluido entra por el lado de la descarga sólida, cuando este fluido entra debido a las rpm que va girando el bowl, se genera internamente una fuerza centrifuga, la cual lo experimenta el fluido, lo que permite separar la fase sólida de la liquida. El conveyor que se encuentra adentro arrastra todos los sólidos que se pegan en la pared del bowl y la fase liquida va saliendo por las boquillas del otro extremo del bowl.

Estado de humedad y sequedad de los sólidos:

El estado de humedad y sequedad de los solidos descartados por una centrífuga de decantación se puede lograr mediante el cambio de las rpm del bowl. Al aumentar la velocidad, los solidos salen más secos. Porque disminuye la cantidad de solidos que permanecen sedimentados en la pared d el tambor, pero al bajar las rpm, los sólidos salen mas húmedos.

TIPOS DE CENTRIFUGAS

En perforación se utilizan por lo general dos tipos de centrifugas: una de baja revoluciones, para recuperar barita y otra de alta para descartar sólidos cercanos al tamaño coloidal (2-5µ). Estas centrifugas se colocan en secuencia y pueden operar independientemente o en serie.

Centrifuga de Baja Esta centrifuga trabaja a ± 1800 RPM, desarrolla una fuerza “G” de ± 1000, con punto de corte de 5µ. Procesa de 10 a 30 GPM, con un factor de dilución de 2 a 6 GPM, dependiendo del peso y viscosidad del fluido. A mayor peso, la capacidad de procesamiento de la centrifuga es menor.

Este tipo de centrifuga descarta aproximadamente el 40% o mas del fluido procesado, porque mas o menos un 25% de la barita, antes de entrar en circulación, tiene un tamaño de 6µ, el cual se reduce a 5µ una vez que entra en circulación.

Centrifuga de Alta Esta centrifuga trabaja a ± 3400 RPM, desarrolla una fuerza “G” de ± 3000, con punto de corte de 2µ. Procesa de 40 a 90 GPM, dependiendo, por supuesto, del peso del fluido. No usa dilución, salvo cuando el fluido tenga alta viscosidad.

Al perforar con fluido densificado o no, es decir, con o sin barita, carbonato, se recomienda tener disponible una centrifuga de alta, para solventar problemas de floculación causados por sólidos ultra finos. Este problema es grave, sobre todo cuando se perfora con fluido pesado

Centrifugas de alto Volume Estas centrifugas pueden procesar caudales entre 250 y 30 0 GPM, con densidad de 9 lb/gal y se utilizan normalmente para tratar fosas de desecho en control ambiental.

Centrifuga secadora Actualmente se usan centrifugas secadoras compactas que carecen de vibración y funcionan con mallas de diferentes tamaños. Es te tipo de centrifuga trabaja normalment e a 1100 RPM y tiene la ventaja de recuperar mas del 50% del fluido tratado.

Normatividades API aplicable a los equipos de control sólidos para seleccionar sus mallas correspondientes a la operación

En este apartado solo se describe acerca de la API que se requiere aplicar para los equipos de control de sólidos, para la explicación de dicha norma se requiere comprarlo y en este caso la empresa se negó a proporcionar la información por motivos de seguridad.

El Instituto Americano del Petróleo (API) es la única asociación nacional que representa a todos los aspectos de la industria del petróleo y gas natural de Estados Unidos. Nuestros más de 650 miembros corporativos, de la compañía petrolera más grande a la más pequeña de los independientes, provienen de todos los sectores de la industria. Son productores, refinadores , proveedores, operadores de tuberías y transportadores marítimos, así como las empresas d e servicios y suministros que apoyan todos los segmentos de la industria. 1

API RP 13C: Esta norma específica un procedimiento estándar para evaluar y modificar el rendimiento de los sistemas de equipos de control de sólidos utilizados habitualmente en el campo de petróleo y procesamiento de fluidos de perforación de gas natural. El procedimiento descrito en esta norma no está destinado para la comparación de tipos similares de piezas individuales deequipo. (IHS, 2016)

1 API. (24 de Junio de 2016). Energy API. Obtenido de Energy API: http://www.api.org/about