INFORME DE LABORATORIO: pH Y ADELGAZANTESJuliana Herona, Pablo ZuluagaaaEstudiante de Ingeniera de Petrleos, Universidad Nacional de Colombia, Sede Medelln.Abril 20 de 2014_________________________________________________________________________________________________________ResumenEl fluido de perforacin tiene una muy relevante importancia en la operacin de perforar un pozo, por tanto es importante mantener el control sobre las propiedades del lodo, para que cumpla correctamente su funcin, haga ms eficiente el ejercicio y para evitar que el mismo genere problemas en el trabajo o los instrumentos. El control del pH se hace con el objetivo de evitar la corrosin en los elementos que estn en contacto con el fluido de perforacin, esta inspeccin se hace por varios motivos como la intervencin de componentes presentes en la formacin de alta acides o la aadidura de aditivos que por su pH pueden llegar a convertir el lodo en un potencial fluido corrosivo al ganar acidez.Se puede modificar el pH del fluido de perforacin mediante la adicin de sustancias, que en la cantidad correcta ayuda a llegar a los valores que requerimos en la operacin, se debe tener en cuenta para saber que valor requerimos si hay presencia de compuestos cidos en la formacin que puedan migrar hacia el lodo y afectar el pH del mismo, o si se requiere agregar materiales de pH bajo como lo son los adelgazantes. Si se realiza un buen anlisis terico se puede alcanzar un rendimiento adecuado en el cumplimiento de las funciones solicitadas, optimizando la operacin y minimizando el riesgo de fallas.Un buen control de estas propiedades es el paso inicial para crear un buen fluido de perforacin, que cumpla a cabalidad con sus funciones en el momento de perforar, y que adems facilite la labor optimando recursos.Abstract

The drilling fluid has a very important element in the operation of drilling a well, therefore it is important to maintain control over the properties of the "mud", to fulfill its role properly, make more efficient the exercise and to prevent the same generate problems at work or the instruments.The pH control is done with the aim of preventing the corrosion on the elements that are in contact with the drilling fluid, this inspection is done for several reasons such as the intervention of components present in the formation of high acidity or the addition of additives that by its pH can to convert the mud in a potential corrosive fluid when win acidity.You can change the pH of the drilling fluid through the addition of substances, which in the correct quantity helps reach out to the values that we require in the operation, care must be taken into account to know that we value if there is presence of acidic compounds in the training they can migrate into the mud and affect the pH of it, or if required add materials of low pH as are the slimming.A good control of these properties is the initial step in creating a good drilling fluid, to fully comply with their duties at the time of drilling, and also to facilitate the work by optimizing resources.Palabras clave: Densidad, viscosidad, pH, adelgazante, propiedades.

ObjetivosComprender la importancia del fluido de perforacin, sus principales funciones al momento de perforar y como se pueden modificar las propiedades de ste para controlar y optimizar la operacin.Fabricar un fluido de perforacin, usando como base agua y adicionando bentonita para alcanzar una densidad de 8.6 lbm/gal. Posteriormente se densificar dicho lodo hasta 9.6 lbm/gal, adicionando carbonato de calcio. Finalmente, se agregar lignito para adelgazar dicho lodo. Realizar los clculos pertinentes para encontrar la cantidad de aditivos a usar. Reconocer los equipos de laboratorio y adquirir conocimientos sobre su correcto uso para el correcto montaje del mtodo del plato poroso. Detectar posibles errores en los equipos a utilizar en el montaje de la prueba antes mencionada.Observar los cambios en el pH del lodo al adicionar algunos aditivos tanto de carcter bsico como cido, adems reconocer las consecuencias que estos cambios pueden traer en el fluido, sus propiedades y sus funciones.Reconocer como se obtiene de forma experimental el pH del fluido de perforacin y obtenerlo.Identificar tericamente y experimentalmente los efectos de agregar aditivos adelgazantes, especficamente lignito. Evaluar cmo se afectan algunas propiedades luego del aditamento.Identificar el embudo de Marsh, aprender su uso correcto y realizar cabalmente el experimento.

1. IntroduccinConocer y controlar el PH del fluido de perforacin es de vital importancia, un lodo con un PH bajo puede crear problemas de corrosin y bajar la eficiencia de algunos componentes. Durante la operacin se pueden encontrar componentes de carcter acido que bajan el PH del lodo, creando los problemas previamente mencionados, asimismo si se requiere adicionar elementos adelgazantes se puede tener este mismo efecto, poniendo en peligro la integridad de los instrumentos de trabajo.Para intervenir el PH basta con una operacin sencilla para encontrar la cantidad necesaria de cada componente, siendo lo ms comn usar como base agua y sobre esta agregar los aditivos requeridos dependiendo de las especificaciones.se debe tener en cuenta como se afectan otras propiedades, y algunas caractersticas del medio que se perfora y de los aditivos a usar para encontrar un rango adecuado para mantener el pH.En el presente informe se proceder a realizar un lodo de perforacin de base agua, densificar con carbonato de calcio y luego adelgazar con lignito para detectar y analizar el cambio de pH. Las pruebas se realizaron en el laboratorio de fluidos de perforacin perteneciente a la Facultad de Minas de la Universidad Nacional de Colombia, sede Medelln.

2. Marco TericoEl pH se define como la concentracin de iones de hidrogeno en una solucin, para una solucin con una concentracin de iones de hidrogeno se tiene un equilibrio con la concentracin de iones hidroxilo. As para el agua se tiene la misma cantidad de iones hidroxilo que de iones de hidrogeno (pH neutro). Si aumenta la concentracin de iones de hidrogeno el pH disminuye en una escala de 7 a 0, y se dice que es un pH acido, mientras que si por el contrario se aumenta la concentracin de iones hidroxilo el pH aumenta en una escala de 7 a 14 y se le denomina pH bsico, la escala del pH es logartmica lo que indica que un cambio de una unidad de pH corresponde a un aumento de 10 veces la concentracin de iones de hidrogeno.Es necesario mantener el pH del fluido de perforacin preferiblemente bsico y su valor se determinara teniendo en cuenta: si se le piensan agregar aditivos adelgazantes de caractersticas acidas como el lignito, si durante la perforacin pueden encontrarse compuestos cidos. Tambin un pH bsico alrededor de 11 puede mejorar la eficiencia de algunos aditivos que se degradan con la temperatura.Los aditivos adelgazantes se usan para disminuir la viscosidad del lodo, es un agente efectivo en el control de filtrado, los ms comunes son: tanino de plantas, materiales ligniticos, polifosfatos, polmeros, lignosulfatos. Tal vez el mas comn es el lignito por su alta compatibilidad con la mayora de lodos base agua, es un aditivo parcialmente soluble que brinda costras delgadas y de baja permeabilidad.

3. Procedimiento y equipos para preparar una prueba piloto y realizar la medicin de densidad, viscosidad y fuerza gel.

A continuacin se describe el procedimiento terico seguido para la preparacin de una prueba piloto para un lodo base agua de densidad 8.6 lbm/gal.

Dadas las densidades del agua y de la bentonita respectivamente:

Se calcul la masa de bentonita y el volumen de agua a adicionar mediante las siguientes ecuaciones:

1). 2).

Despejando y reemplazando en 1). Se obtiene:

Y despejando se tiene que:

Por lo tanto la masa de bentonita a adicionar es:

Ahora, el volumen de agua a adicionar es:

Una vez obtenidos estos valores se procedi experimentalmente as:1. Medir la cantidad de agua y pesar la bentonita a adicionar. 2. Agregar el agua en el recipiente indicado para tal labor. 3. Llevarlo al agitador (mezclador). 4. Adicionar en pequeas cantidades la bentonita hasta conseguir una mezcla homognea.

A partir de este procedimiento se obtuvo un fluido de perforacin de densidad 8.6 .Posteriormente, se procedi a incrementar la densidad del lodo de perforacin hasta 9.6 mediante la adicin de carbonato de calcio. Para llevar a cabo este procedimiento, se tiene que: De esta manera se obtuvo que:1.

2. Reemplazando la ecuacin 2. En 1. Se tiene que:

Y finalmente despejando el volumen de carbonato se tiene que:

Y la masa de carbonato a adicionar es:

En este caso se requirieron 2 litros del fluido de perforacin para llevar a cabo la prueba de viscosidad en el embudo Marsh, por lo tanto se hizo necesario agregar el doble de las cantidades anteriormente calculadas.Finalmente se procede a adelgazar el lodo fabricado mediante la adicin de lignito, haciendo uso slo de 1 litro del fluido. Para este procedimiento, se requiri 7% en volumen de lignito, es decir:

Y teniendo en cuenta que la densidad del lignito es:

Se tiene que deben adicionarse:

Resultando as un lodo de una densidad terica que se calcula a partir del balance de masas a continuacin:

Donde:

Por lo tanto se tiene que:

Balanza de lodos: Es un instrumento que se usa para determinar la densidad del lodo, permite hacer mediciones con una incertidumbre de 0.1 lbm/gal y est diseada de tal modo que la taza de lodo, que est en un extremo del astil, se puede balancear con un contrapeso fijo en el otro extremo. Est dotada de un mecanismo de desplazamiento que se mueve a lo largo de una escala graduada que permite leer directamente el valor de densidad garantizando precisin ya que cuenta con un nivel de burbuja que permite su balance. Se sigue el siguiente procedimiento para la medicin experimental de la densidad de un fluido de perforacin utilizando la Balanza para lodos: 1. Asegurar que la base de la balanza de lodo est nivelada sobre una superficie uniforme. 2. Llenar la taza hasta que reboce y taparla. Asegurarse de que parte del fluido sea expulsado a travs del orificio en la tapa, para as liberar el aire o gas que haya quedado atrapado. 3. Limpiar el fluido que haya quedado en la parte exterior de la tasa. 4. Colocar el brazo sobre el soporte de la base y equilibrarlo, moviendo el jinete en la escala graduada hasta que la burbuja coincida con la lnea central del nivel. 5. Registrar la densidad con una precisin de 0,1 lbm/gal o 0,5 Lbm/ft3 (0,01 g/cm3).

Embudo Marsh: Se utiliza para mediciones simples de viscosidad. La viscosidad Marsh es el tiempo requerido para que un de galn (946cm3) pase a travs de un tubo de 3/16 in de un embudo de 12 in de largo con capacidad para 1,5 L. El valor resultante es una medida cualitativa de la viscosidad del lodo y se da en segundos Marsh.

Para realizar esta prueba se sigue el consecuente procedimiento:

1. Tapar el orificio del embudo con un dedo y vierta el lodo agitado en el embudo a travs del tamiz. Llenar hasta que el fluido alcance el fondo del tamiz.

2. Retire el dedo y active el sistema de medicin de tiempo en forma simultnea para medir el tiempo requerido para que el fluido llene el recipiente colector hasta la marca de un cuarto de galn (946 cm3).

3. Registre el tiempo con una precisin de un segundo por cuarto de galn. Tener en cuenta que el tiempo para que 1 cuarto de galn de agua dulce limpia pase por el embudo de Marsh a 70F (21C) es de 26 segundos ( 0.5 segundos).

pH-metro: Este instrumento mide la diferencia de potencial entre dos electrodos: un electrodo de referencia generalmente de plata/cloruro de plata, y un electrodo de vidrio sensible al in hidrgeno.

Para realizar la medicin del pH, se sigue el procedimiento:

1. Teniendo el lodo en un recipiente, introducirlo hasta que cubra en su totalidad el electrodo.2. Esperar que se estabilice la medida de pH registrada por el pH-metro.3. Registrar el pH con una precisin de ..

4. Clculos y resultados

Medicin de densidad

Lodo 1: lodo base agua ms bentonita.

Datos tericos

Datos experimentales

(gr)

Tabla 1. Datos tericos y experimentales medicin de densidad lodo 1 (lodo base agua + bentonita).

Lodo 2: Se requiri el doble de volumen de este lodo para la realizacin de la prueba de viscosidad Marsh, por lo que se agregaron dos partes de carbonato de calcio.

Datos tericos

Datos experimentales

(gr)

(gr) agregada416.227 gr416.50 gr

Tabla 2. Datos tericos y experimentales medicin de densidad lodo 2 (lodo 1 + carbonato de calcio).

Lodo 3: En este caso se calcul una masa a adicionar de lignito, pero dadas los resultados experimentales que se obtuvieron se decidi adicionar menor cantidad del aditivo.

Datos tericos

Datos experimentales

(gr)

(gr) agregada55 gr55.00 gr

Tabla 3. Datos tericos y experimentales medicin de densidad lodo 3 (lodo 2 + lignito).

Registro de pH

LodopH

Lodo 1 (agua + bentonita)9.79

Lodo 2 (lodo 1 + carbonato de calcio)12.28

Lodo 3 (lodo 2 +lignito)12.2

Tabla 4. Datos experimentales de pH obtenidos usando un pH-metro.

Medida de viscosidad

LodoViscosidad

Lodo 2 (lodo 1 + carbonato de calcio)59.87

Tabla 5. Datos experimentales de viscosidad obtenidos con embudo Marsh.

5. Anlisis Al comparar los resultados de densidad para los lodos 1 y 2, obtenidos de forma terica y experimental se tiene que el porcentaje de error es:

Se debe tener en cuenta que este resultado no introduce la incertidumbre de los instrumentos de medida; es decir, el porcentaje de error no es cero, pero se podra afirmar que se minimizaron causas de error como: Prdida de agua, bentonita o carbonato de calcio en alguna parte del proceso, principalmente durante al agitacin. Error o imprecisin de los operarios en la toma de volumen de agua y masas de bentonita y carbonato de calcio. Mala calibracin de los equipos. Errores en el mtodo de medida, es decir imprecisin de los instrumentos. En el caso del lodo 3 (lodo 2 + lignito), se tiene un porcentaje de error igual a 6.95%, que hace alusin a las causas de error mencionadas anteriormente.

En el caso de la viscosidad antes de agregar el lignito, es de esperarse que al contener mayor nmero de slidos, la facilidad para movilizarse sea ms limitada, esto es que, a mayor contenido de slidos en el fluido de perforacin se registrar mayor viscosidad. Para el caso del fluido de perforacin de 8.6 lbm/gal (base agua ms bentonita), se reportan valores cercanos a 34.0 s Marsh (datos obtenidos de otros grupos). Para el fluido de 9.6 lbm/gal, al cual se le adicion carbonato de calcio, se obtuvo un valor de viscosidad de 59.87 Marsh; lo que confirma que a mayor contenido de slidos se registrar un mayor valor de viscosidad.

Asimismo, es posible realizar una comparacin con la viscosidad del agua limpia y fresca, que es de aproximadamente 26 s Marsh. Evidentemente al adicionar bentonita y carbonato de calcio, es decir con la adicin de slidos, se logr incrementar la viscosidad sustancialmente, lo que ocasiona que el fluido tarde mayor tiempo en atravesar el embudo.

Cabe resaltar que para valores tan altos de tiempo, la viscosidad Marsh deja de ser una medida confiable, esto es, se convierte en una medida totalmente incierta.

Para el caso de la adicin de lignito como adelgazante y reductor de pH del fluido de perforacin, no se obtuvieron los resultados esperados.

La reduccin de pH esperada no fue alcanzada, es decir, el lignito, por su carcter cido, debera haber disminuido notablemente el pH bsico del lodo. No obstante, para el lodo agua + bentonita + carbonato de calcio el pH fue de 12,28 y la del lodo agua + bentonita + carbonato de calcio + lignito fue de 12,2. Esto podra deberse a la adicin de carbonato de calcio para densificar el fluido de perforacin, que finalmente satur tal lodo.

Adems, al agitar dicho fluido se le transfiere calor, lo que puede ocasionar la descomposicin del carbonato de calcio en xido de calcio y dixido de carbono. ste xido de calcio se hidrata formando hidrxido de calcio o cal muerta, que incrementa notablemente el pH y es relativamente insoluble en el fluido, lo que ocasiona la saturacin del fluido y se explica tambin que el lignito fuera parcialmente soluble y no presentara los resultados esperados en cuanto al adelgazamiento del lodo y la reduccin del pH.Asimismo, en la literatura se reportan valores de lignito a adicionar cercanos a 2% en volumen, y para el caso del lodo preparado sera:

Y dado que la densidad del lignito es:

Se tiene que la masa de lignito a adicionar sera:

Este valor es mucho menor que la masa adicionada de lignito, lo que podra significar una saturacin del lodo con respecto a este aditivo y explicara la razn por la que no se incorpor completamente al fluido.

Finalmente se obtuvo un pH del lodo igual a 12.2 y dado que el pH es mayor a 11, se aumentara el riesgo de contaminacin por el cemento o por el agua de la formacin.

6. ConclusionesSe determin la densidad inicial 8.6 lbm/gal para un lodo base agua con bentonita, una densidad de 9.6 lbm/gal para un lodo inicial ms la adicin de carbonato de calcio, y una densidad de 9.1 lbm/gal para el lodo 2 ms la adicin de lignito; comprobndose la precisin y eficacia de los mtodos y reactivos usados para dichos fines.

Se analizaron diversas causas de error y otros sucesos que pudieron haber afectado los resultados obtenidos.

Se reconocieron y usaron adecuadamente los diferentes equipos del laboratorio. Adems, se tuvo conocimiento sobre recomendaciones que le proporcionan efectividad al proceso.

Se siguieron los procedimientos indicados en la gua de laboratorio para adelgazamiento del lodo con la adicin de lignito y medicin del pH, analizando las causas por las que no alcanz el objetivo de la prctica.

Se identific la saturacin del lodo como principal causa por la que no se disminuyo el pH del lodo preparado y no se alcanzaron los objetivos de disminucin de viscosidad.

7. Bibliografa

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8. Actividades complementarias 8.1. Como se define la alcalinidad de un lodo, qu importancia tiene y qu relacin tiene con el pH?

La alcalinidad de una solucin se puede definir como la concentracin de iones solubles en agua que puede neutralizar acido. La alcalinidad esta relacionada con iones OH, CO, HCO presentes en el fluido. La alcalinidad de un lodo o PM es una medida de iones solubles e insolubles presentes en un lodo de perforacin. Iones solubles tales como hidroxilos, carbonatos y bicarbonatos, y iones insolubles como lime e hidrxido de magnesio tienen un efecto sobre el PM. El PM es expresado como volumen en mililitros de cido sulfrico a 0.02N necesario para disminuir el pH de un mililitro de lodo a 8.3.

El pH y la alcalinidad estn estrechamente relacionados pero no son lo mismo. El pH indica que tan cido o bsico es un fluido y la alcalinidad determina los iones responsables de esta acidez o basicidad.

La alcalinidad de un lodo puede indicar la capacidad de neutralizar la acidez que se pueda presentar durante la perforacin.

8.2. Consultar acerca de cada uno de los aditivos utilizados como adelgazantes, sus propiedades, ventajas y desventajas. Hacer un cuadro comparativo.

Cuadro comparativo en la pgina a continuacin.

AditivoPropiedadesVentajasDesventajas

Taninos*Derivado del rbol quebracho.*pH=3.8*Adelgazadores de fluidos de agua dulce para pozos de profundidad moderada.*El sistema puede mantenerse en un pH tan bajo como 9.*Puede tolerar mayor contaminacin por sal y calcio en intervalos de pH entre 10.5 y 11.5.*Inestable sobre 240F.*Ineficaz en ambientes de 6000 a 7000mg/l de sal o ion calcio superiores a 200mg/l.

Lignosulfonatos*Derivado del proceso de manufactura del papel sulfito.*Peso molecular promedio del orden de 4000 g/mol.*Control reolgico e inhibicin de slidos de formacin. *Estabilidad trmica y estabilidad de las paredes del pozo.*Reduce viscosidad, resistencia gel y control de filtrado.*Aplicable a lodos simples, salados y tratados con calcio.*Aumento de la velocidad de perforacin.*Compatible con diversos aditivos.*Ineficaz cuando es contaminado con cloruro (aumento de viscosidad).*Tolera hasta 100.000 ppm de cloruro.

Materiales lignticos*pH=5-6.*Disminuye viscosidad y pH.

*Estabilizador trmico para lodos sometidos a altas temperaturas.*Resistentes a afectos de contaminacin.*Ofrece costras delgadas y de baja permeabilidad.*Compatible con la mayora de lodos base agua.*Control reolgico de lodos base agua.*Aditivo parcialmente soluble.*Solubilidad limitada por saturacin del lodo.

Polmeros*Origen natural, sinttico o modificado.*Diversidad del material.

*Por diseo son ms adaptables a situaciones complejas.*Se obtienen diversos tipos de polmeros aplicables a las necesidades planteadas.*Ideales para perforar zonas depletadas, calizas naturalmente fracturadas o altas porosidades. *Gran capacidad de acarreo y suspensin. *Costos.*No es aplicable cuando el lodo est saturado.