Emulsiones Aireada

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IV SEMINARIO DE FLUIDOS DE PERFORACIN Y COMPLETACIN

Formulacin de Emulsiones Aireadas como Fluidos de Perforacin de Baja DensidadDi Lorenzo M., Pazos D., Capriles D., Mario J., Snchez G. y Mrquez R.

PDVSA-Intevep, EPCP, P.O. Box 76343, Caracas 1070-A, Venezuela

SUMARIOLa necesidad de explotar yacimientos de baja presin ha motivado un creciente inters hacia los fluidos de perforacin de baja densidad, capaces de evitar daos a la formacin. Emulsiones aceite/agua de alta concentracin de fase interna han sido formuladas y aplicadas en el pasado, como base de fluidos tipo drill-in de baja densidad, presentando resultados prometedores. Para aplicaciones en yacimientos de ms baja presin la densidad de estos fluidos puede reducirse dispersando burbujas de gas en la fase acuosa de la emulsin, producindose as emulsiones aireadas. En este trabajo se establecen las condiciones de formulacin y mezclado requeridas para obtener, a escala de laboratorio, emulsiones aireadas con densidades comprendidas en el intervalo 3-7 lpg a 30 C y presin atmosfrica. Se investigaron los efectos de la concentracin de aceite, surfactantes y un viscosificante en solucin, as como del tiempo y velocidad de mezclado, sobre la formacin y estabilidad esttica del fluido. Se obtuvieron emulsiones aireadas con formulaciones que incluyen un emulsificante, un surfactante adicional y un agente viscosificante, con dimetros promedio de gota y burbuja de 8 y 200 micrones aproximadamente. Estos fluidos presentaron una buena estabilidad manteniendo su densidad constante por mas de 4 das. Se establecieron las bases para la aireacin del fluido utilizando mezcladores estticos y se llev a cabo el escalamiento con una prueba de campo, en la cual se obtuvo un fluido aireado de densidad de 5 lpg, a 30 C y presin atmosfrica. El estudio abre la posibilidad de introducir fluidos de perforacin aireados, basados en emulsiones, especialmente formulados para operaciones de perforacin y rehabilitacin en yacimientos de baja presin.

INTRODUCCION

La existencia de un gran nmero de yacimientos de baja presin en Venezuela, junto con el desarrollo y aplicacin de nuevas tecnologas, tales como la construccin de pozos horizontales y la perforacin bajo-balance, ha estimulado un renovado inters hacia la formulacin de fluidos de baja densidad1. Estos son fluidos multifsicos en los cuales una cierta cantidad de gas es introducida, de distintas formas, con el objetivo principal de reducir su peso. Los fluidos de baja densidad incluyen, en orden de densidad decreciente, o mayor contenido de gas, a los lodos aireados, las espumas y las neblinas. Entre stos, los fluidos aireados son aquellos que cubren un intervalo de densidades comprendido entre 3 y 7 lpg. En trminos generales, estos fluidos estn constituidos por una fase continua lquida, no necesariamente monofsica, en la cual el gas, usualmente aire o nitrgeno, se encuentra disperso, en forma de burbujas, de manera ms o menos fina y homognea. La concentracin volumen/volumen de gas incluido en la matriz fluida generalmente no sobrepasa el 60%. Por debajo de este lmite, las burbujas de gas, si estn distribuidas homogneamente en el interior del fluido, se encontrarn bien separadas unas de otras. A medida que nos acercamos a la superficie, la concentracin de burbujas, y por ende de gas, aumenta por efecto de las fuerzas de flotacin, formndose as una espuma superficial.

La estabilidad del fluido, definida como su capacidad de retener el gas y conservar su peso, depende principalmente del efecto de las fuerzas de flotacin, la presin capilar y las fuerzas de superficie responsables de la formacin de la espuma superficial, la difusin del gas y la coalescencia de las burbujas o ruptura de las lamelas en la espuma, respectivamente. Estas fuerzas, a su vez, dependen del tamao de burbuja, la viscosidad y constante dielctrica de la fase continua liquida y de las propiedades de la interfase liquido-gas, como son la tensin y la carga superficiales, as como de la adsorcin superficial de agentes tensoactivos. Entre las mayores ventajas de usar fluidos aireados durante la perforacin se han reportado 2: minimizacin de las prdidas de circulacin y del dao a la formacin, aumento de la tasa de penetracin, reduccin o eliminacin de pegas diferenciales de tuberas. Por otro lado, la compresibilidad y carcter multifsico del fluido hacen que sea muy difcil predecir con precisin parmetros de diseo y control fundamentales tales como la presin a fondo de hoyo, la capacidad de transporte de ripios y el comportamiento reolgico del fluido. Tambin hay que considerar que el uso de fluidos aireados puede requerir a menudo de equipos de superficie especializados para el tratamiento del gas y presurizacin e inyeccin, lo cual encarece el costo de la perforacin. No deben dejarse a un lado los problemas adicionales asociados con la presencia de oxigeno en el gas inyectado en el lodo, como son la corrosin de los equipos y el riesgo de explosiones. Los beneficios econmicos que se obtienen de la reduccin del tiempo de perforacin y el incremento en la productividad del pozo deberan exceder los costos tcnicos y econmicos asociados con las operaciones de perforacin basadas en los fluidos de baja densidad. El uso de fluidos aireados para perforacin de pozos se remonta a 1950 en los EE.UU.2, sin embargo, en las ms recientes aplicaciones en Venezuela, se han utilizado productos novedosos que incluyen el uso de esferas de vidrio huecas3 y los afrones coloidales gaseosos4. Segn nuestro conocimiento, no se han aplicado, hasta la fecha, fluidos de perforacin aireados donde la fase continua es constituida por una emulsin agua/aceite concentrada. Recientemente emulsiones aireadas han sido usadas en operaciones de rehabilitacin y terminacin de pozos5. Estas emulsiones constituyen la base del fluido desarrollado por PDVSA-Intevep, bajo la marca comercial Inteflow, que ha encontrado diversas aplicaciones como fluido drill-in base agua, de baja densidad y en operaciones de perforacin, completacin y rehabilitacin de pozos. Entre las propiedades ms relevantes de Inteflow podemos mencionar: su bajo contenido de agua (30% V/V), alta capacidad de lubricacin y enfriamiento, buena estabilidad frente a contaminaciones, alta capacidad de acarreo de ripios. Siendo una emulsin de aceite en agua de bajo contenido de fase acuosa, su densidad, entre 6,9 y 7,2 lpg, es menor que la de los fluidos base agua convencionales. Adems, debido a su alta rea

interfacial, la invasin de filtrados del fluido hacia la formacin se ve reducida, ya que el agua se encuentra atrapada en los intersticios (bordes de Platteau) y las pelculas entre las gotas de aceite, estabilizadas por las fuerzas interfaciales. En otros trminos, la alta concentracin de gotas microscpicas de aceite comprimidas en las caras de hoyo ofrece un taponamiento efectivo al paso de agua hacia el interior de la formacin. La alta viscosidad a baja tasa de corte de estas emulsiones, junto con su alta rea interfacial, abre la posibilidad de airear estos fluidos, introduciendo burbujas de gas en la fase acuosa, ya que estas quedaran virtualmente atrapadas dentro del conjunto muy denso de gotas de aceite, siempre que la estabilidad de la emulsin se preserve. Debido al conocido poder antiespumante de los aceites, la formulacin qumica es de particular importancia en estos casos, ya que, a travs de ella, se garantiza la formacin y estabilidad del sistema trifsico aceite-agua-gas. En este trabajo se discuten aspectos relacionados con la fsico-qumica interfacial de los fluidos de perforacin aireados, basados en emulsiones aceite/agua de alta concentracin de fase interna. Se definen, adems, como resultado de pruebas experimentales, las condiciones de formulacin y mezclado adecuadas para formar dichos fluidos con un contenido de aire entre 20 y 30% V/V y alta estabilidad esttica. El estudio, conducido a escala de laboratorio, ha establecido las bases para el escalamiento llevado a cabo en pruebas de campo.

FISICO-QUIMICA INTERFACIAL DE UNA EMULSION AIREADA

El fluido aireado basado en una emulsin es un sistema trifsico de fase continua agua y donde las fases internas, gas y aceite, se encuentran dispersas en forma de burbujas y gotas separadas de tamao pequeo. Todo proceso que lleve a la coalescencia de las gotas y de las burbujas entre si, o a una fusin de las dos fases dispersas, de alguna manera atenta contra la estabilidad del fluido. La integridad de la pelcula de agua entre dos gotas, dos burbujas o una burbuja y una gota garantiza entonces la estabilidad del sistema. Una adecuada formulacin del fluido debe basarse en una combinacin de agentes viscosificantes, para retardar el proceso de drenaje del agua fuera de la pelcula, junto con agentes tensoactivos, capaces de minimizar la energa interfacial del sistema y de estabilizar las interfaces, proveyendo fuerzas de separacin efectivas entre las caras de la pelcula. Existe una gran variedad de agentes emulsificantes para formar emulsiones de aceite en agua, as como surfactantes de alto poder espumante, sin embargo, en el sistema que nos interesa, tenemos una complicacin adicional que surge de la coexistencia de una dispersin de aire y de una aceite. El poder anti-

espumante de los aceites es un hecho bien conocido y empleado tecnolgicamente6. Este se basa en la capacidad del aceite de esparcirse sobre las superficies de las burbujas adyacentes y formar un puente entre ellas, desplazando as el agua del interior de la pelcula acuosa, que termina rompindose. El mecanismo se ilustra en la Fig.1.

GASAGUA ACEITE

GAS

A

B

C

D

Fig. 1. Mecanismo de ruptura de una pelcula acuosa en presencia de aceite: A: dos burbujas se acercan y atrapan a una gota de aceite, B: formacin de una pelcula pseudo-emulsion, C: Formacin de un lente de aceite, D: formacin de un puente de aceite que lleva a la ruptura de la pelcula.

Mediante el clculo de la energa libre interfacial del sistema es posible encontrar la configuracin ms favorable para una gota de aceite en la superficie agua/aire y su grado de mojabilidad. Para ello se definen dos coeficientes: el de penetracin E y el de esparcido S, segn las ecuaciones: E = o/w + a/w + o/a S = a/w o/w o/a (1)

donde indica la tensin interfacial y los subndices o, w y a se refieren al aceite, agua y aire respectivamente7. El coeficiente de penetracin E mide la disminucin de la energa libre que ocurre cuando una gota de aceite penetra la interfase agua/aire, formando un lente all. El coeficiente de esparcido S representa la disminucin de la energa libre que resulta del recubrimiento de la superficie por una pelcula de aceite. Si el coeficiente E es positivo es probable que una gota de aceite, atrapada entre dos burbujas, penetre las dos superficies formando un puente entre ellas. Si tambin S es positivo, esta gota se esparcir gradualmente sobre las superficies de la pelcula empujando el agua fuera de ella provocando as su ruptura. y

Se ha encontrado que este tratamiento simplificado no es capaz de predecir los resultados experimentales, particularmente en presencia de surfactantes, debido a que no incluye los mecanismos de estabilizacin producidos por estos compuestos7. Las pelculas trifsicas aceite/agua/aire, tambin conocidas como pelculas tipo pseudo-emulsin (Fig. 2), pueden ser estabilizadas de manera anloga a las pelculas simples de dos fases. Entre estos mecanismos de estabilizacin se encuentran los de origen cintico (efecto Marangoni) y los relacionados con las fuerzas de separacin (repulsin electrosttica, estrica, y estructural) 7.PELICULA PSEUDO-EMULSION

Fig.2. Pelcula pseudo-emulsin trifsica aire/agua/aceite.

PRUEBAS DE LABORATORIO

Materiales y Mtodo Experimental

Para la formacin de las emulsiones de aceite en agua se utiliz un aceite mineral y soluciones en agua destilada del emulsificante Inteflow-2000 en presencia de una base como buffer y 0,5% de KCl. Se investig el efecto, en el proceso de aireacin de las emulsiones, de la presencia de un surfactante adicional y un viscosificante. La actividad interfacial y superficial de los agentes tensoactivos se determin realizando las isotermas de adsorcin a la interfase agua/aire y agua/aceite a T=30 C por mtodos tensiomtricos. Las tensiones superficiales e interfaciales se determinaron mediante un tensimetro de plato y uno de gota colgante, respectivamente. Se utiliz un tensimetro de gota rotante para visualizar las

configuraciones de equilibrio de una gota de aceite en contacto con una burbuja de aire, ambas sumergidas en soluciones acuosas del emulsificante. La preparacin del fluido aireado en laboratorio se realiz en dos etapas: primero se form una emulsin O/W de alto contenido de fase interna y luego se procedi a introducir aire en la emulsin, a un flujo controlado, a travs de un inyector tipo aguja, colocado debajo del impulsor de un mezclador. Este es capaz de dispersar el chorro de aire en la emulsin en forma de pequeas burbujas. Para la formacin de las emulsiones, se aadieron, en las proporciones requeridas, el aceite y la solucin acuosa de emulsificante, surfacatnte adicional y aditivos, para un volumen total de 400 ml, en un beaker graduado de 1 litro de capacidad, y se us un mezclador de alta energa, utilizando la geometra de mezclado estndar. Una vez formada la emulsin y tomadas las muestras para el anlisis de distribucin de tamaos de gota, se introdujo el inyector de aire, conectado a un controlador de flujo, en el mismo beaker. La inyeccin de aire procedi al mismo tiempo que, mediante el mismo mezclador usado para emulsionar, se dispersaba el aire en el fluido. La inyeccin y el mezclado siguieron por un tiempo determinado o hasta que el volumen del fluido alcanz el valor deseado. Las emulsiones de alta fase interna (>70% V/V) se prepararon incorporando todos los aditivos: surfactantes, viscosificante, buffer y sales, de una vez a la fase acuosa en presencia del aceite Un esquema del sistema de aireacin y mezclado se muestra en la Fig.3. Luego de tomar lectura del volumen alcanzado por el fluido al finalizar la aireacin, para determinar la cantidad de gas incorporado, el fluido aireado se coloc en cilindros graduados de 250 cc de capacidad, que se mantuvieron a temperatura ambiente, cubiertos, mas no tapados hermticamente. A intervalos regulares de tiempo se tom lectura del volumen del fluido contenido en los cilindros para determinar la prdida de aire y observar cualquier cambio, como la separacin de las fases lquidas.

MEZCLADOR

Fig. 3. Sistema de aireacin y mezclado.

Resultados y Discusin

En las Figs. 4 y 5 se muestran las isotermas de adsorcin del surfactante Inteflow-2000 y el surfactante adicional. Este fue seleccionado por su alta capacidad de reducir la tensin agua-aire, comparado con otros. De las isotermas es posible deducir el rea promedio ocupada por una molcula de surfactante y la concentracin micelar crtica10. Los resultados se presentan en la Tabla 1.70agua/aceite 60 50 tensin (mN/m) agua/aire

70

60 50 tensin (mN/m) 40 30 20 10 0 1,E-09

agua/aceite agua/aire

40 30 20 10 0 1,0E-08

1,0E-07

1,0E-06

1,0E-05

1,E-08

1,E-07

1,E-06

1,E-05

concentracin (moles/cc)

concentracin (moles/cc)

Fig.4. Isotermas de adsorcin del surfactante Inteflow-2000 a T=30 C.

Fig.5. Isotermas de adsorcin del surfactante adicional a T=30 C.

surfactante

Area/molcula (agua/aire) [2]

Area/molcula (agua/aire) [2] 49,0 98,0

Concentracin micelar crtica (ppm) 70,0 300,0

adicional Inteflow-2000

41,0 64,0

Tabla 1. Valores del rea por molcula de surfactantes adsorbidos y su concentracin micelar crtica

En la Tabla 2 se reportan los valores de la tensin, tomados de las isotermas de adsorcin por encima de la concentracin micelar crtica, y de los coeficientes de penetracin y esparcido, calculados segn la ec. (1).

Surfactante aw [mN/m] ow [mN/m] ao [mN/m] E [mN/m] S [mN/m]

Fluorado 17,0 6,4 26,0 -2,6 -15,4

Inteflow-2000 35,0 8,0 26,0 17 1

Sin surfactante 71,4 27,8 26,2 73,0 17,4

Tabla 2. Valores de la tensin, coeficientes de esparcido y penetracin de Inteflow-2000 y del surfactante adicional .

Utilizando el tensimetro de gota rotante es posible poner en contacto una gota de aceite y una burbuja de aire, ambas sumergidas en solucin acuosa, eliminando los efectos de la gravedad mediante la aplicacin de una fuerza centrpeta de rotacin. En la Fig. 6 se presenta una secuencia de imgenes de los eventos que ocurren cuando una gota de aceite entra en contacto con una burbuja de aire, ambas sumergidas en agua destilada. La grabacin y adquisicin de las imgenes se realiz con equipos convencionales no adecuados para registrar eventos que ocurren muy rpidamente, como lo que se muestran en las imgenes mencionadas. Por esta razn, las imgenes mencionadas no presentan una buena definicin, aunque se puede apreciar como la gota de aceite encapsula completamente a la burbuja de aire en fracciones de segundo. Este comportamiento es predecible con base en la teora basada en los coeficientes de penetracin y esparcido, ya que ambos tienen, para este sistema, valores positivos (Tabla 2).

AGUA

ACEITE AIRE 1 2 3 4 5

Fig.6. Secuencia temporal de imgenes (1 a 5) que demuestran la encapsulacin de una burbuja de aire por una gota de aceite.

En las Figs. 7 y 8 se muestra que ocurre cuando a la fase acuosa se aade el surfactante Inteflow2000. La secuencia de imgenes de la Fig. 7, que corresponde a una concentracin de surfactant de 5 10-7 moles/cc, inferior a la concentracin micelar crtica (C.M.C.), demuestra que la burbuja es lentamente encapsulada por la gota de aceite. Por otro lado, en la Fig. 8, donde la concentracin de surfactante es de 2,3 10-7 moles/cc, por encima de la C.M.C., se observa como el sistema mantiene su estabilidad an cuando la gota y la burbuja sean empujadas una contra otra, inclinando el equipo y aumentando la velocidad de rotacin. En todo caso la pelcula de agua entre ellas se mantiene integra por todo el tiempo de observacin, de aproximadamente 3 horas.

1

2

3

4

Fig.7. Secuencia temporal de imgenes (1 a 4) que demuestran la encapsulacin de una burbuja de aire por una gota de aceite, sumergidas en una solucin acuosa de Inteflow-2000 a una concentracin de 5 10-7 moles/cc (200 ppm) .

7580 rpm

8550 rpm

9531 rpm

Fig.8. Imgenes de una gota de aceite y una burbuja en contacto sumergidas en una solucin acuosa de Inteflow-2000 a una concentracin de 2,3 10-6 moles/cc (900 ppm).

El tratamiento basado sobre el clculo de los coeficientes de penetracin y esparcido no es capaz de explicar la estabilidad del sistema formulado con Inteflow-2000 a concentracin de surfactante por encima de la concentracin micelar crtica (ver Fig. 8). En efecto, los valores de los coeficientes son siempre positivos para este sistema, lo cual indicara una alta probabilidad de mojado parcial o encapsulamiento total de la burbuja por parte del aceite, como ocurre para concentraciones de surfactante por debajo de la concentracin micelar crtica y en ausencia de ste. Posiblemente una alta concentracin de surfactante garantiza que las interfases estn completamente recubiertas y las micelas estn presentes en solucin, proveyendo as mecanismos adicionales de estabilizacin. Las pruebas de formacin del fluido incluyen la etapa de formacin de las emulsiones O/W y la de aireacin sucesiva. En cuanto a la primera, se establecieron las condiciones de formacin, velocidad del impulsor y tiempo de mezclado, realizando cinticas de formacin: dimetros de gota vs. tiempo de mezclado, como la que se muestra en la Fig. 9. Estas se refieren a dos sistemas, ambos formados con una relacin aceite/agua: 70/30%, en presencia de Inteflow-2000 (1,4% P/P) a 3000 rpm. Una de las formulaciones incluye el viscosificante. En la Fig.10 se observa el efecto de la relacin aceite/agua sobre el tamao de gota de la emulsin formulada con Inteflow-2000 (1,4% P/P) en ausencia de viscosificante. Debido a que las emulsiones ms concentradas tienen una mayor rea interfacial, es necesario aumentar el contenido de surfactante para mantener el dimetro promedio alrededor de 9 micras.

Dimetro de gota (m)

con viscosificante sin viscosificante 15

Dimetro de gota(m)

20

14 12 10 8 6 4 2 0 60/40 70/30 75/25 80/20

10

5 0 2 4 6 8 10 12 Tiempo de mezclado (min)

Relacin aceite/agua Fig.10. Efecto de la relacin O/W sobre le dimetro de gota de emulsiones formadas con 1,4% de Inteflow-2000 a 3000 rpm.

Fig.9. Cinticas de formacin

de dos

emulsiones 70/30 formadas con 1,4% de Inteflow-2000 a 3000 rpm, en presencia y en ausencia de viscosificante.

Se realizaron pruebas de aireacin de la emulsin 70/30 formulada con 1,4% de Inteflow-2000 con las cuales se determin que, para flujos de aire entre 0,5 y 3% p3/h, se requiere una velocidad de mezclado mnima de 4000 rpm por 10 minutos para asegurar la dispersin homognea de las burbujas de aire en el fluido. En la Fig. 11 se muestra el efecto del flujo de aire sobre la estabilidad del fluido aireado segn las condiciones mencionadas. Aunque los tres flujos de aire inyectado logren incorporar la misma cantidad de aire, la estabilidad del fluido, medida como densidad en el tiempo, es inferior a 1 p3/h, presumiblemente porque el tamao de burbuja es mayor a menor flujo de aire inyectado. Se comprob que el dimetro promedio de gota de la emulsin no se ve afectado por la inyeccin de aire y el mezclado adicional en la etapa de aireacin. En la Fig. 12 se presenta una foto de una muestra del fluido de la Fig. 11, aireado a 2 p3/h, tomada al microscopio ptico. En la Fig. 11 se puede observar como, luego de tres das, el fluido aireado ha perdido todo el gas incorporado, alcanzndose la densidad del fluido Inteflow convencional (emulsion 70/30%). Para aumentar la estabilidad del fluido aireado es conveniente incrementar la viscosidad a baja tasa de corte de la emulsin, con lo cual se puede lograr disminuir la velocidad de flotacin de las burbujas. Para ello se incorpor un viscosificante en la fase acuosa del fluido, a distintas concentraciones: 1000, 3000 y 5000 ppm. Los resultados de las pruebas de formacin y estabilidad con estas formulaciones se muestran en la Fig. 13.

8 densidad (lpg) 6 4 2 0 0 1 2 tiempo (das)Fig. 11. Efecto del flujo de aire sobre la estabilidad del fluido (densidad en el tiempo) aireado a 4000 rpm por 10 minutos.

1 p3/h 2 p3/h 3 p3/h

3

4

200 micras

Fig.12. Fotografa al microscopio ptico del fluido aireado. Se pueden apreciar las burbujas de dimetros del orden de 200 m, sumergidas en la emulsin de dimetro de gota de 9 m.

8 7 densidad (lpg) 6concentracin de polmero

5 4 3 0 2 4 6 tiempo (das)

5000 ppm 3000 ppm 1000 ppm 0 ppm

8

10

Fig.13. Densidad del fluido aireado como funcin del tiempo a distintas concentraciones de viscosificante.

Los resultados indican que, a medida que aumenta la concentracin de viscosificante, la capacidad del fluido de incorporar aire y, por ende, de disminuir su densidad, decrece. Para lograr extender la estabilidad del fluido por ms de tres das hay que alcanzar concentraciones de viscosificante tan altas como 5000 ppm. Con el propsito de incrementar la capacidad del fluido para incorporar aire se realizaron pruebas de aireacin y estabilidad a distintas concentraciones de viscosificante, donde adems se incorporaron 1000 ppm de surfactante adicional a la formulacin. Debido a su alta actividad superficial, este compuesto debe aumentar la efectividad del proceso de aireacin, as como la estabilidad del fluido, ya que provee valores negativos de los coeficientes de penetracin y esparcido (Tabla 2). Los resultados de estas pruebas se presentan en la Fig. 14. Los resultados obtenidos indican que, por efecto de la adicin del surfactante, se obtiene un incremento en la cantidad de aire incorporado al fluido, logrndose densidades iniciales ms bajas, aunque no se observan mejoras sustanciales en la estabilidad.

8

densidad (lpg)

7 6 5 4 3 2 0 2 4 6 8 10concentracin de viscosificante 5000 ppm 3000 ppm 1000 ppm

tiempo (das) Fig.14. Densidad del fluido aireado como funcin del tiempo a distintas concentraciones de viscosificante, en presencia de 1000 ppm de surfactante adicionales.

La viscosidad de una emulsin monodispersa se incrementa considerablemente a medida que la concentracin de fase interna aumenta, acercndose a valores de 70%. En emulsiones an ms concentradas las gotas estn comprimidas y el sistema se asemeja a una espuma bilquida. En estas condiciones la emulsin presenta interesantes propiedades visco-elsticas, en cierta forma parecidas a

las que presentan las soluciones polimricas no-diluidas11. Se puede explotar este hecho para reducir la concentracin de viscosificante en solucin y mantener la estabilidad del fluido aireado, utilizando emulsiones O/W de alta concentracin de fase interna: 75/25% y 80/20%. Sin embargo, para garantizar la formacin y estabilidad de estas emulsiones concentradas y la sucesiva incorporacin de aire es necesario aumentar la concentracin de Inteflow-2000 a 2%, manteniendo las condiciones de mezclado y aireacin usadas anteriormente. En la Fig. 15 se muestran los resultados de pruebas de aireacin y estabilidad de una emulsin con relacin aceite/agua 80/20%. Los resultados demuestran como es posible formular un fluido de alta estabilidad, aumentando la concentracin de aceite en la emulsin a 80% y disminuyendo la concentracin de viscosificante. La alta viscosidad del fluido, que, con apenas 300 ppm de viscosificante, tiene una apariencia tipo gel, hace que sea difcil incorporarle aire, y por ende reducir su densidad a valores menores de 5 lpg. Sin embargo, una vez introducidas las burbujas en la fase continua lquida, stas se quedan atrapadas all por ms de una semana.

7concentracin de viscosificante

densidad (lpg)

6

100 ppm 300 ppm

5

4 0 1 2 3 4 5 6 7 8

tiempo (das)

Fig.15. Densidad del fluido aireado basado en emulsiones O/W 80/20% como funcin del tiempo a distintas concentraciones de viscosificante.

ESCALAMIENTO DEL PROCESO DE FORMACION UTILIZANDO MEZCLADORES ESTATICOS Una vez establecida la formulacin qumica del fluido, se procedi a investigar la posibilidad de incorporar aire a la emulsin utilizando un esquema basado en mezcladores estticos, ms adecuado para aplicaciones de campo. Para ello se efectuaron primero pruebas de formacin en laboratorio, empleando un esquema experimental como el que se muestra en la Fig.16. La emulsin 70/30 y el flujo de aire se unen en la tubera antes de entrar al mezclador esttico y el fluido aireado se obtiene a la salida de ste. Las relaciones de flujo emulsin/aire se ajustaron para asegurar que no se genere a la salida un flujo tipo tapn. En estas condiciones se logr obtener un fluido aireado de densidad 5,5 lpg a condiciones de presin atmosfrica y temperatura ambiente.

Emulsin

Aire

Fig.16. Esquema del sistema de aireacin, basado en un mezclador esttico, a escala de laboratorio El diseo del sistema de mezclado fue mejorado incorporando un elemento difusor a la entrada del mezclador esttico, de manera de mejorar la dispersin de aire en la emulsin antes de entrar al mezclador. Esto permite reducir el nmero de elementos del mezclador y en consecuencia la cada de presin, facilitando la incorporacin y homogeneizacin del aire en el fluido. La etapa siguiente consisti en estimar condiciones de proceso (flujos y cadas de presin) y dimensiones del mezclador a una mayor escala, con base en los caudales, caidas de presin y densidad final del fluido a presin atmosfrica y temperatura ambiente (4,6 lpg). En la Fig. 17 se presenta, en forma de diagrama de flujo, el procedimiento de clculo para realizar los estimados arriba mencionados. Se da inicio con la entrada de datos correspondientes a las propiedades fsicas de la emulsin y el gas, viscosidades y densidades , los flujos, Q, y las caractersticas geomtricas del mezclador esttico (dimetros y nmero de elementos). Se determina

el flujo total, Qt, la densidad promedio, promedio, la velocidad promedio, Vp, la tasa de corte nominal, nominal, segn el caso, y la cada de presin, P. Para el caso de flujo laminar, si la tasa de corte nominal y la cada de presin son aceptables, entonces se procede a realizar la prueba de formacin en campo, de lo contrario se modifican los flujos o la geometra del mezclador y se realizan los clculos nuevamente.

Inicio 2 1 Propiedades de los fluidos e, a,e,a Flujos: Qe, Qa Caractersticas geomtricas

e, a, m, #elementos

Qt, promedio, Vp, P, nominal

nominal Vp y P aceptables? SI

NO

Cambiar Flujos/Geometra

G 2

F Ajustar condiciones y propiedades con prueba de formacin en campo

1

Fin

Fig. 17. Diagrama de flujo para la determinacin de la condiciones de operacin para un sistema de aireacin del fluido usando mezcladores estticos.

Se realiz prueba en campo, en las instalaciones de PEVSA, San Tom, segn el protocolo establecido, logrndose un fluido de densidad 5 lpg. El esquema del circuito de formacin del fluido aireado montado en campo se presenta en la Fig.18.

TK-105

TK-109

TK-110

TOMA MUESTRA

C-1

MF-1 M-2 ME-1 TK-103 B-1 D-1 M-1

SURFACTANTE VISCOSIFICANTE

B-1: bomba TK-110: Tanque aceite C-1: compresor TK-109: Tanque agua MA-1: medidor gas TK-105: Tanque Fluido Aireado D-1: difusor TK-103: Tanque emulsin ME-1:mezclador esttico MF-1: medidor de flujo M-1y2: manmetros

Fig.18. Esquema del circuito de formacin del fluido aireado montado en campo.

CONCLUSIONES

En este estudio experimental se establecieron las bases de formulacin qumica y mezclado para la formacin de fluidos de perforacin aireados con contenido de gas entre 20 y 30%. Estos fluidos son constituidos por emulsiones concentradas de aceite en agua, con un contenido de fase interna igual o mayor que 70%, donde se introducen burbujas de aire de tamaos del orden de 100 micrones, para bajar la densidad del fluido a valores entre 4,8 y 5,5 lpg A 30 C y presin atmosfrica. Se demostr que, mediante una formulacin adecuada que incluye agentes emulsificantes, un surfactante adicional, un viscosificante y altas concentraciones de aceite en la emulsin, es posible garantizar que estos fluidos mantengan su densidad por al menos cuatro das, en condiciones estticas. Se discutieron aspectos relacionados con la fisico-qumica interfacial de estos fluidos complejos, encontrndose que la teora basada en los coeficientes de penetracin y esparcido no es suficiente para

explicar los mecanismos de estabilizacin de estos sistemas, pues no incluye el efecto estabilizante de los surfactantes a concentraciones por encima de la concentracin micelar crtica. La investigacin sobre estos fluidos est en una etapa preliminar y debe ser complementada con estudios que lleven a la caracterizacin de su reologa, su comportamiento a presiones elevadas y la evaluacin de sus propiedades en contacto con el medio poroso y dentro de ste.

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