EMULSIONES NO ACUOSAS

La emulsión es un sistema de dos fases que consta de dos líquidos parcialmente miscibles, uno de los cuales es dispersado en el otro en forma de glóbulos. La fase dispersa, discontinua o interna es el líquido desintegrado en glóbulos. El líquido circundante es la fase continua o externa.

El origen de los fluidos de perforación no acuosas se remonta a los años 1920, cuando se usaba el crudo como fluido de perforación.

Las emulsiones no siempre alcanzan el estado de equilibrio en corto tiempo, y como consecuencia frecuentemente experimentan alteraciones con el tiempo.

Los aceites no tienen estructura de gel y son difíciles de viscosificar de manera que puedan ser densificados, muchos contienen compuestos tóxicos o peligrosos que causan riesgos para la salud, la seguridad y el medio ambiente.

Los aceites también flotan sobre el agua y pueden migrar sobre una gran distancia desde su fuente.

El rendimiento de los fluidos de perforación no acuosos fue mejorado por el desarrollo y el uso de aditivos asfalticos para aumentar la viscosidad y reducir el filtrado.

Estos lodos eran emulsiones en todo sentido y recibieron el nombre de lodos de emulsión inversa para diferenciarlos de los lodos base agua de emulsión de aceite que se usaban en esa época.

Hoy en día, un lodo de emulsión inversa es un fluido con aceite diesel, aceite mineral o fluido sintético como fase continua y el agua o salmuera como fase emulsionada.

Los aceites minerales contienen concentraciones de compuestos aromáticos mas bajas que el aceite diesel y no son tan tóxicos como el aceite diesel, es posible que los aceites minerales no se puedan usar en ciertas ubicaciones sensibles desde el punto de vista ambiental según los reglamentos ambientales locales.

Los fluidos sintéticos son sintetizados o fabricados a partir de otros compuestos en vez de ser altamente refinados a partir del crudo y su toxicidad mucho mas baja y características de HSE (salud, seguridad y medio ambiente) mejores, son mas costosos que los lodos base agua, el aceite diesel o el aceite mineral.

Tipos de Emulsiones• Aceite en agua• Agua en aceite • No acuosas• Múltiples

TIPO DE ACEITE EN AGUA

TIPO AGUA EN ACEITE

EMULSION NO ACUOSA

EMULSION MULTIPLE AGUA EN ACEITE

EMULSION MULTIPLE ACEITE EN AGUA

EMULSION MULTIPLE

EFECTO DE LA RELACION ENVOLUMEN DE LAS FASES SOBRE EL TIPO DE EMULSION

DETERMINACION EXPERIMENTAL DEL TIPO DE EMULSION

Conductividad Eléctrica: las emulsiones aceite en agua son mejores conductores que la emulsión agua con aceite.

Dilución: una emulsión es soluble en su fase externa.

Método de los Colorantes: se utilizan colorantes hidrosolubles y liposolubles. La uniformidad del color adquirido por la emulsión indica si es aceite en agua o agua en aceite.

Método de la Gota: sobre sendas porciones de emulsión se agrega una gota de vaselina liquida y una de agua. Se observa la velocidad con que se extiende en la superficie de la emulsión.

Aplicación sobre la piel: las emulsiones aceite en agua en general penetran mas rápidamente en la piel.

Papel de filtro con CoCL2: en contacto con emulsiones aceite en agua vera rápidamente al rosado.

La incorporación de sólidos dentro de una emulsión de agua en aceite o sintético puede tener efecto positivo o negativo sobre la manera en que los sólidos se humectan. Mientras los lodos se mantienen en una condición humectada por aceite y no se fusionan ni agotan la concentración requerida de agentes tensioactivos, formaran una emulsión estable.

La humectabilidad se determina examinando el ángulo de contacto formado entre cada liquido y la superficie del solido.

Los fluidos de perforación no acuosos son formulados usando aditivos basados en un amplio grupo de productos químicos llamados agentes tensioactivos. Estos productos químicos incluyen emulsificantes, jabones y agentes humectantes.

Actúan reduciendo la tensión interfacial entre dos líquidos o entre un liquido y un solido.

Los agentes tensioactivos tienen una cabeza polar hidrofilica y una cola organofilica (oleofilica o lipofilica).

TENSIOACTIVOS

ADITIVOS

Los emulsificantes son agentes tensioactivos que reducen la tensión superficial entre las gotas de agua y el aceite (o sintético), lo cual estabilizan la mezcla al ser parcialmente solubles en agua y parcialmente solubles en aceite.

En general los emulsificantes son alcoholes de cadena larga, ácidos grasos o polímeros y pueden ser anionicos, cationicos o no iónicos.

TENSION SUPERFICIAL

Algunos emulsificantes son jabones formados por la reacción de un ester de acido graso con un álcali (como la cal), donde el hidrogeno del acido graso es reemplazado por un metal, como el calcio de la cal.

Los jabones hechos con sodio son solubles en agua y forman emulsiones de aceite en agua.

El hidróxido de sodio es el álcali que se usa en muchos jabones domésticos.

Los jabones insolubles en agua son usados en grasas, espesadores de gel, pinturas y lodos de aceite.

Los jabones de calcio se usan comúnmente como emulsificante principal en los lodos de emulsión inversa, son formados mediante la adición de acido graso (generalmente un liquido) y cal o cal viva (como fuente alcalina de calcio) al aceite base del lodo, donde reaccionan para formar el jabón de calcio.

FUNDAMENTOS DE LA EMULSIÓN

Los fluidos de perforación de emulsión inversa son mezclas de dos líquidos inmiscibles: el aceite (o sintético) y el agua. Pueden contener 50% o más de agua. Esta agua se descompone en pequeñas gotas y se dispersa uniformemente en la fase no acuosa externa. Estas gotas permanecen suspendidas en el aceite (o sintético) y agentes tensioactivos que actúan entre las dos fases impiden que las gotas se fusionen. Para emulsificar correctamente el agua en aceite, debe haber suficiente emulsificante químico que forme una película alrededor de cada gota de agua.

Las pequeñas gotas uniformes de agua generan viscosidad y esfuerzos de gel que ayudan a soportar el material densificante y reducen el filtrado al quedar atrapadas en el revoque.

Cuando se aumenta el contenido de agua (fase interna) de una emulsión inversa:

El tamaño de las gotas de agua aumenta. Las posibilidades de que las gotas de agua se fusionen

aumenta La viscosidad plástica de la emulsión aumenta. La cantidad de emulsificante requerida para formar una

emulsión estable aumenta. La estabilidad de la emulsión disminuye.

. Mientras los lodos se mantienen en una condición humectada por aceite y no se fusionan ni agotan la concentración requerida de agentes tensioactivos, formarán una emulsión estable.

Cuando los sólidos son humectados por agua: Los sólidos tienden a adherirse a las zarandas. El lodo adquiere un aspecto “granuloso”, perdiendo su

aspecto brillante. La Estabilidad Eléctrica (ES) disminuye. La Reología aumenta. Se observará la sedimentación de barita en el vaso de lodo,

vaso de calentamiento y los tanques. El filtrado de Alta Temperatura, Alta Presión (ATAP) aumenta

y puede contener agua libre

ADITIVOS

Emulsificantes. Los emulsificantes son agentes tensioactivos que reducen la tensión superficial entre las gotas de agua y el aceite (o sintético). Los emulsificantes estabilizan la mezcla al ser parcialmente solubles en agua y parcialmente solubles en aceite.

Jabones. Algunos emulsificantes son jabones formados por la reacción de un éster de ácido graso con un álcali (como la cal), donde el hidrógeno del ácido graso es reemplazado por un metal, como el calcio de la cal. Los jabones hechos con sodio son solubles en agua y forman emulsiones de aceite en agua. Los jabones de calcio se usan comúnmente como emulsificante principal en los lodos de emulsión inversa.

Agentes humectantes. Un agente humectante es un agente tensioactivo que reduce la tensión interfacial y el ángulo de contacto entre un líquido y un sólido. Esto hace que el líquido se extienda sobre la superficie del sólido. Los sólidos (barita, arcillas y sólidos perforados) deben ser humectados por la fase líquida continua del fluido de perforación, si no, se agregarán y se depositarán.

Material densificante. La barita es el material densificante más común que se usa en los lodos base aceite y sintético. También se usa carbonato de calcio, especialmente en los fluidos de empaque de densidad más baja, donde se puede suspender más fácilmente que en la barita o la hematita. La hematita puede ser usada en los lodos de alta densidad donde su alta gravedad específica ayuda a minimizar el contenido total de sólidos del lodo. Otros materiales densificantes pueden requerir diferentes agentes humectantes.

Aditivos de control de filtración. El control de filtración ATAP de los lodos de emulsión inversa es afectado por la viscosidad de la fase fluida continua, la relación de aceite o sintético a agua, la estabilidad de la emulsión, la humectación por agua de los sólidos, el contenido de sólidos y la cantidad de arcilla tratada con amina en el sistema. Muchos sistemas sintéticos no requieren aditivos especiales de control de filtración en las formulaciones diseñadas para ser usadas a temperaturas inferiores a 300ºF (149ºC). A temperaturas más altas, la mayoría de los sistemas requieren un aditivo de control de filtración. La gilsonita (VERSATROL®) o el asfalto, el lignito tratado con aminas (VERSALIG®) y los polímeros son los aditivos de control de filtración más comunes.

PROPIEDADES La composición, características de viscosidad, densidad

y propiedades del líquido base usado en el aceite y los fluidos sintéticos tienen un efecto importante sobre las propiedades, la viscosidad a las temperaturas del pozo y el rendimiento global de los fluidos de perforación base aceite y sintético.

Densidad. Los líquidos no acuosos usados para formular los sistemas base aceite y sintéticos son mucho más comprimibles que el agua. Su densidad aumenta con el aumento de presión. Afortunadamente, estos líquidos también se expanden (reduciendo la densidad) cuando la temperatura aumenta, de manera que los dos efectos (temperatura y presión) se anulan en cierta medida. La densidad cambiará con la temperatura y la presión, de manera que la densidad equivalente al fondo del pozo será diferente a la densidad medida en la superficie.

PROPIEDADES

Reología. Los conceptos básicos de Reología aplican a los fluidos de perforación base aceite y sintético:

La viscosidad plástica es la viscosidad teórica de un fluido a una velocidad de corte infinita. Esta viscosidad debería ser mantenida al nivel más bajo posible. Constituye una buena aproximación de la viscosidad a través de la barrena. La viscosidad plástica aumenta con la viscosidad del fluido base; el contenido de agua; y con la concentración, el tamaño, la forma y la distribución de los sólidos.

El punto cedente suele ser usado como indicador de las características de disminución de la viscosidad con el esfuerzo de corte de un fluido, así como de la capacidad del fluido para suspender los recortes y el material densificante. El punto cedente es determinado a partir de las indicaciones del viscosímetro a 300 y 600 RPM, y puede que no sea indicativo de la Reología a muy baja velocidad de corte de un fluido de perforación.

PROPIEDADES

En general, se requiere un esfuerzo de gel inicial superior a 5 lb/100 pies2 para suspender el material densificante. El aceite y los fluidos sintéticos siempre deben ser monitoreados para detectar cualquier sedimentación, la cual podría ser indicativa de cualquiera de dos problemas graves diferentes: sedimentación causada por esfuerzos de gel inadecuado o por sólidos humectados por agua.

PROPIEDADES

Alcalinidad POM La alcalinidad de fenolftaleína (POM o VSA) de un lodo base aceite o sintético es una medida del exceso de cal. Los sistemas convencionales de emulsión inversa usan el emulsificante primario y el calcio de la cal para formar jabones de calcio para la emulsión. El exceso de cal puede ser calculado de la siguiente manera:

Exceso de cal (lb/bbl) = POM x 1,295 Filtrado Aunque el filtrado de un lodo base aceite o

sintético no cause problemas del pozo y de la formación relacionados con el hinchamiento de las arcillas, el filtrado debería ser controlado porque la alta pérdida de filtrado podría causar la pegadura de la tubería por presión diferencial y daños a ciertas formaciones. Normalmente, los fluidos sintéticos no requieren el uso de otros aditivos para satisfacer los requisitos de filtrado ATAP.

PROPIEDADES

Estabilidad eléctrica La estabilidad eléctrica indica qué tan bien (o compacto) el agua está emulsionada en la fase de aceite o sintético. Altos valores indican una emulsión más fuerte y un fluido más estable.

Algunos de los factores más importantes que afectan la estabilidad eléctrica son:

Contenido de agua. Un alto contenido de agua reduce la estabilidad eléctrica porque la distancia entre las gotas de agua disminuye

Sólidos humectados por agua. Los sólidos humectados por agua reducen la estabilidad de la emulsión. Los sólidos humectados por agua actúan como gotas de agua en lo que se refiere a la conductividad eléctrica

PROPIEDADES

Estabilidad de la emulsión. Las gotas de agua son más grandes y menos emulsionadas en los sistemas de lodos nuevos e inestables, haciendo que estos fluidos tengan valores de estabilidad de emulsión considerablemente más bajos. En los fluidos recién preparados, la estabilidad de la emulsión aumenta considerablemente cuando se aumenta el esfuerzo de corte y la temperatura y se incorporan algunos sólidos perforados. En los fluidos existentes, al aumentar la concentración de emulsificante y agente humectante, se mejora la estabilidad de la emulsión.

Temperatura. La temperatura a la cual se mide la estabilidad eléctrica cambia la estabilidad y la conductancia eléctrica de la emulsión. La estabilidad eléctrica debería medirse a la misma temperatura (120ºF o 49ºC) para obtener datos pertinentes.

PROPIEDADES Concentración de sal. La conductividad eléctrica del

agua aumenta cuando la concentración de sal aumenta. El aumento de la concentración de sal suele reducir ligeramente la estabilidad eléctrica. Además, la adición de sal en polvo puede causar una inestabilidad temporal hasta que la sal se solubilice en la fase acuosa.

Saturación. Cuando la fase acuosa está saturada de sal, especialmente con cloruro de calcio, la sal se precipita de la solución como un sólido humectado por agua que reduce la estabilidad de la emulsión.

Material densificante. Los lodos de alta densidad densificados con hematita u otros minerales especiales suelen tener estabilidades eléctricas más bajas que los lodos densificados con barita.

PÉRDIDA DE CIRCULACIÓN

La pérdida de circulación con los lodos base aceite y sintético puede hacerse rápidamente intolerable debido al alto costo de los fluidos. La compresibilidad de estos fluidos hace que la densidad y las propiedades reológicas del lodo sean más altas en el fondo del pozo. Esto hace que la probabilidad de pérdida de circulación sea más alta con los lodos base aceite y sintético que con los lodos base agua que tienen una densidad y Reología similar. Para minimizar la pérdida de circulación, la densidad y las propiedades reológicas deberían ser mantenidas a los valores mínimos que coincidan con la seguridad y las buenas prácticas de perforación.

La pérdida de circulación puede ser dividida en dos situaciones básicas: (1) pérdidas dentro de una fractura activa (generalmente en una lutita cerca de la última zapata de cementación de la tubería de revestimiento), y (2) pérdidas de lodo entero hacia las zonas porosas y permeables (que pueden variar de areniscas matriciales a formaciones cavernosas de carbonato).

CONTROL DE SÓLIDOS

El control de sólidos eficaz es esencial para el uso económico de los sistemas de aceite y sintético, debido a su costo relativamente alto y a las consideraciones de eliminación. Los sólidos perforados deben ser tratados con agentes humectantes para evitar que desestabilicen la emulsión. Buenos equipos primarios de control de sólidos (zarandas y centrífugas) son críticos para el éxito de los sistemas de lodo base aceite y sintético.

SISTEMAS

El aceite y los líquidos sintéticos pueden ser usados para formular tres tipos distintos de sistemas:

Sistemas 100% aceite. Estos sistemas no contienen agua en su formulación. En la práctica, durante la perforación, estos sistemas incorporan pequeñas cantidades de agua de la formación y los recortes. La mayoría tolerarán solamente muy pequeñas cantidades de agua y casi nunca contienen más de 5% de agua. Muchas veces, estos sistemas, como el TRUCORE™, son usados para extraer núcleos en intervalos productivos.

Emulsiones inversas. Éstas contienen aceite (o sintético) como fase externa o continua, y agua (salmuera) como fase interna de la emulsión. Pueden subclasificarse en dos categorías distintas:

Convencional. Éstas son emulsiones “fuertes” y muy estables que tienen un filtrado API (100 psi) igual a cero. Generalmente tienen una alta estabilidad eléctrica y un filtrado ATAP controlado inferior a 10 cm3 a 500 psi (3.447 kPa) y 300ºF (149ºC), sin agua en el filtrado.

b) Filtrado relajado. Éstas son emulsiones ligeramente menos estables que son circuladas intencionalmente con filtrados ATAP más altos que los lodos convencionales de emulsión inversa. Es normal que estas emulsiones tengan un poco de agua en el filtrado ATAP. También pueden tener un filtrado API (100 psi) medible. Las emulsiones son débiles y la estabilidad eléctrica será más baja que la de los lodos convencionales de emulsión inversa.

CEMENTACIÓN EN LODOS NO ACUOSOS

La cementación en lodos base aceite y sintético requiere el uso de fluidos espaciadores especialmente diseñados para impedir la mezcla del cemento con el lodo base aceite o sintético. Estos espaciadores están diseñados para ser compatibles con el cemento y el lodo, mientras proporcionan otras funciones necesarias para la cementación. Además de obtener un buen desplazamiento de los lodos base aceite o sintético, los espaciadores también deben contener agentes tensioactivos que harán que las superficies humectadas por aceite o sintético regresen a un estado de humectación por agua para que se pueda lograr una buena adherencia del cemento.

LODOS DE EMPAQUE

Un fluido de empaque es el fluido dejado encima del empaque en el espacio anular, entre la tubería de producción y la tubería de revestimiento o la tubería de revestimiento corta, cuando un pozo ha sido completado y está listo para iniciar la producción. Los fluidos de empaque están generalmente diseñados para proporcionar una presión hidrostática igual a la presión de la formación productiva. Estos lodos de empaque proporcionan:

(1) excelente estabilidad térmica durante largos periodos

(2) excelentes características de suspensión del material densificante

(3) protección duradera de los materiales metálicos contra la corrosión.