Laboratorio Control De Sólidos

PRÁCTICA DE LABORATORIO 4

JOSÉ ALEJANDRO LOZANO ARIAS JUAN DAVID VALLEJO RESTREPO LUIS ANDRÉS VÉLEZ AGUIRRE Grupo 2

Kewin Passos Granados Monitor

Laboratorio de perforación II

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA Facultad de Minas MEDELLIN 8 de mayo de 2014

Tabla de contenido 1. MARCO TEÓRICO.......................................................................................... 3 2. PROCEDIMIENTO.......................................................................................... 5 3. DATOS Y RESULTADOS................................................................................ 7 4. ANÁLISIS....................................................................................................... 8 5. CONCLUSIONES.......................................................................................... 10 6. ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS.........................................................10 7. BIBLIOGRAFÍA............................................................................................ 15

1. MARCO TEÓRICO [1], [2], [3] Control de sólidos: Una de las principales funciones que el fluido de perforación debe tener es remover los recortes del fondo del pozo, transportarlos y depositarlos en superficie. Cuando este proceso no se lleva de forma adecuada se pueden presentar las siguientes dificultades en la perforación:

       

Disminución significativa de la tasa de penetración. Aumenta el daño a la formación. Acelera el daño a los equipos de perforación. Disminuye la eficiencia de la cementación. Se puede pegar la tubería. Aumento de torque y arrastre. Pérdidas de circulación. Aumento de costos por el desecho de fluidos.

Los cortes de la formación no son los únicos sólidos que se encuentran en el fluido de perforación, en este también se encuentran arcillas y aditivos densificantes que también pueden controlarse para obtener las características deseadas para el lodo.

Los sólidos en el lodo tienen tres propiedades que afectan el comportamiento del fluido en mayor o menor medida, las cuales son:

1. Tamaño: Los tamaños más pequeños de partículas provocan mayor interacción entre estos sólidos afectando químicamente las propiedades del fluido de perforación. 2. Gravedad específica: Afecta las propiedades físicas como la densidad y el peso del lodo. 3. Degradación y área superficial: La generación de partículas coloidales es generada por la degradación de los sólidos, al tener mayor área superficial se afectan propiedades como la viscosidad y la fuerza gel. Uno de los mayores problemas de los coloides es que son partículas tan finas que no se sedimentan y no se pueden separar por medios mecánicos.

Los sólidos a su vez pueden clasificarse como:

1. Reactivos: Se caracterizan por ser de baja gravedad específica y tener cargas eléctricas. Pueden ser sólidos agregados como en el caso de la Bentonita o extraídos de la formación. Estos sólidos alcanzan el tamaño coloidal cuando están totalmente hidratados, facilitan el control del filtrado debido al buen revoque que forman, aumentan las propiedades reológicas del fluido mejorando la capacidad de limpieza y suspensión. Cuando hay gran cantidad de estos sólidos en el lodo se genera floculación dentro del mismo, sin embargo, se pueden controlar removiendo los floculos mecánicamente.

2. No Reactivos: No poseen cargas eléctricas y se caracterizan por tener alta o baja gravedad específica. Un control inadecuado de estos sólidos puede generar:  Disminuye la tasa de penetración.  Se puede generar abrasión en las herramientas de la perforación.  Aumenta la viscosidad plástica.  Se forman revoques gruesos disminuyendo el espacio en el anular.  Se generan problemas de torque y arrastre. Métodos de remoción de sólidos:

Uno de los métodos más usados para controlar los sólidos es la dilución, la cual no remueve partículas sino que disminuye su concentración por el aumento de la fase líquida. Una de las grandes ventajas que se puede obtener al usar este método es que el agua dispersa los sólidos haciendo más sencilla su remoción por medios mecánicos.

La remoción mecánica es el método más eficiente y económico para controlar los sólidos en el fluido de perforación. También pueden ser removidos por tamizado con el uso de mallas de diferentes mesh o por asentamiento debido a la precipitación de partículas según su gravedad y tamaño.

La remoción mecánica se puede realizar por medio de los siguientes equipos:



Zarandas: Es el principal equipo en el control de sólidos y de su eficiencia operacional depende fundamentalmente el rendimiento del resto de los equipos. Su principal función es separar partículas de acuerdo a su tamaño (mayores a 74 micrones). Existen zarandas horizontales que emplean mallas iguales en un mismo plano y zarandas verticales que usan dos mallas, una superior gruesa y una inferior fina.



Hidrociclones: Son conos que separan los sólidos por centrifugación. El proceso de separación de partículas funciona de la siguiente manera: El fluido entra por el tubo de alimentación tangencialmente a alta velocidad. En el cono se produce una fuerza centrífuga que forma un espiral en forma descendente hasta la descarga inferior del cono. Los sólidos se separan de acuerdo al tamaño y peso y bajan por gravedad hasta la descarga del cono. El sobreflujo crea una baja presión en el centro del cono originando el retorno del fluido limpio y el aire hacia la parte superior del hidrociclón.

Dentro de los hidrociclones existe el desarenador quien está diseñado para manejar altos volúmenes de arena y materiales abrasivos dentro del fluido de perforación; y el deslimador quien remueve las partículas tamaño limo del lodo.



Limpidores de lodo: Es un equipo de control de sólidos que combina el deslimador y el desarenador con una malla fina. Su finalidad es recuperar la fase líquida y el material densificante que sale de los conos a la malla.



Centrífugas: Su función principal es separar y sedimentar los sólidos de acuerdo a su densidad. Una centrifuga está formada por un tambor cilíndrico o tazón (bowl) y un tornillo transportador que giran en la misma dirección, pero a diferentes velocidades. El tambor gira a una velocidad mayor a la del transportador, en una relación que depende del tipo de caja de engranaje utilizada.

2. PROCEDIMIENTO

Inicialmente se preparan los siguientes fluidos de prforación con ayuda de los datos suministrados por el balance de materiales:

  

Lodo bentonítico: se preparó mezclando agua y bentonita como componentes principales. Lodo densificado: al lodo bentonítico se le agregó Carbonato de Calcio para aumentar la densidad del fluido. Lodo con arena: se le agregó un porcentaje peso a peso de arena al lodo para poder realizar las pruebas pertinentes.

Los lodos se prepararon con ayuda de una batidora mezclando lo más homogéneamente posible cada uno de los componentes. Luego se procedió a medir la densidad del Lodo bentonítico y densificado con la balanza de lodos de la siguiente manera:

 

Se llenó la taza con el lodo preparado, luego se tapó con la tapa asegurándose de que una cantidad de fluido escapara por el orificio que tenía esta, de esta forma se evitaba que quedara aire en la taza. Moviendo el cursor de la balanza se aseguró que la burbuja del ojo de pollo quedara centrada, con esta condición se registra la medida leyéndola directamente de la herramienta.

Prueba de la retorta:

La prueba se realizó para determinar en porcentaje el volumen de sólidos en suspensión y de líquidos. Teniendo en cuenta que el fluido no se preparó con aceite, el volumen de líquidos solo corresponde al volumen de agua. El procedimiento que se siguió fue el siguiente:

    

Se tomó una muestra representativa del lodo con la que se llenó el recipiente. Se llenó el cilindro de la retorta con lana de acero para evitar que algunas partículas logren atravesar el sistema llegando a la probeta de medición. Se aplicó lubricante a las conexiones de las distintas partes del sistema para facilitar su ensamblaje y desmontaje. Se colocó adecuadamente el sistema armado dentro de la retorta colocando una probeta por debajo de la salida del condensador. Se esperaron 45min y después de este tiempo se leyó directamente el volumen de líquido en la probeta y con este dato más el volumen inicial de fluido sometido a la prueba se obtiene el volumen de sólidos en el lodo.

Prueba de contenido de arena:

La prueba se realizó para determinar en porcentaje volumen a volumen del contenido de arena que estaba en el fluido de perforación. El procedimiento fue el siguiente:

   

Se obtuvo una muestra representativa del lodo y se llenó el recipiente de vidrio hasta la primera marca. Después se añadió agua hasta la segunda marca, se tapó la boca del recipiente con el dedo pulgar y se agitó hasta que la mezcla fuera homogénea. Se vertió la mezcla sobre la malla del cedazo y se añadió agua de nuevo repitiendo el proceso hasta que el agua estuviera totalmente clara. Se colocó el embudo boca abajo permitiendo que la arena se precipitara. Luego se registró directamente la medida del recipiente graduado.

3. DATOS Y RESULTADOS Las cantidades teóricas, halladas por medio de un balance de materiales, que se necesitaban para formar el lodo bentonítico y las usadas experimentalmente se muestran en la siguiente tabla. Valor experimental 980 mL ± 0,5 mL 52,55 g ± 0,01 g 8,55 lbm/gal ± 0,1 lbm/gal Tabla 1. Datos del fluido de perforación bentonítico.

Volumen de agua Masa de bentonita Densidad del lodo

Valor teórico 979,78 mL 52,58 g 8,6 lbm/gal

El porcentaje de error en la densidad del fluido es:

Error=

|8,6−8,55| 8,6

∗100

Error=¿ 0,58 Este lodo se densifico con carbonato de calcio. En la siguiente tabla se presentan los valores obtenidos en el respectivo balance de materiales y los usados en el laboratorio. Masa de CaCO3 Densidad del lodo

Valor teórico 93,35 g 9,1 lbm/gal

Valor experimental 93,35 g ± 0,01 g 9,05 lbm/gal ± 0,1

lbm/gal Tabla 2. Datos del fluido de perforación bentonítico.

Error=

|9,1−9,05| 9,1

∗100

Error=¿ 0,55 A este lodo densificado se le agrego un 5% de arena en porcentaje volumen a volumen. Para confirmar el valor antes descrito se realizaron dos pruebas, prueba de la retorta y prueba de contenido de arena. En la siguiente tabla se muestran los resultados obtenidos en cada una de las pruebas. Prueba de contenido de arena

5 % de arena

1 mL de sólidos 9 mL agua* 10 % de sólidos 90 % de agua Tabla 3. Resultados de la prueba de la retorta y contenido de arena. Prueba de la retorta

*El volumen de agua no es del todo preciso ya que unas contadas gotas no cayeron dentro de la probeta, ya que esta no abarcaba todo el ancho de la boquilla. Por ende el volumen de sólidos también presenta un leve error.

Para hallar el porcentaje de sólidos de baja gravedad se usa la siguiente formula.

V LGS =

100 ρf + V ss ( ρB −ρf ) −12 ρfP ρB− ρLGS

(1)

Donde:

V LGS =Porcentaje de volumen de sólidos de baja gravedad específica . ρf =Densidad del filtrado

( c gm ) 3

V ss =Porcentaje en columen de sólidos suspendidos . ρB =Densidad del material densificante

g c m3

( )

ρfP =Densidad del lodo

( lbm gal )

ρ LGS=Densidad sólidos de baja gravedad específica

g c m3

( )

Los valores usados fueron:

ρf =1

g , c m3

V ss=10 ρB =3,7

g c m3

ρfP =9,05

lbm gal

ρ LGS=2,6

g , este valor se supone . c m3

Con esto se obtuvo:

V LGS =25,81

4. ANÁLISIS La prueba de contenido de arena fue satisfactoria y se obtuvo un error del cero por ciento. Esto evidencia que se realizó un buen muestreo y la técnica al realizar la prueba fue correcta. Con la prueba de la retorta se perdieron una pocas gotas de agua por la falta de una probeta que abarcara todo el ancho de la boquilla de la cual salía el filtrado, por ende el porcentaje de sólidos es menor al 10% reportado y teniendo en cuenta que se añadió un 5% de arena, el porcentaje de los aditivos (carbonato de calcio y bentonita) debe estar entre el 5% y 9%. Ahora viendo el porcentaje de sólidos de baja gravedad usando (1) es claro que es un valor no coherente con las pruebas anteriores; tal vez la formula tiene una imprecisión en alguno de sus términos; es ilógico que tenga

un 25 % de sólidos de baja gravedad cuando el porcentaje total de sólidos obtenido por la prueba de la retorta no supera el 10%.

Figura 1. Porcentaje de sólidos respecto a la densidad del lodo. La figura nos muestra que con un lodo de una densidad de 9 lbm/gal deberíamos tener entre un 6% y 8% de sólidos, lo que avala la buena práctica en la prueba de la retorta.

A continuación se presentan los datos obtenidos por el equipo 1 en las dos diferentes pruebas. Prueba de contenido de arena

9 % de arena

0,2 mL de sólidos 9,8 mL agua* 2 % de sólidos 98 % de agua Tabla 4. Resultados de la prueba de la retorta y contenido de arena del equipo1. Prueba de la retorta

En el equipo 1 se notan errores en los datos, ya que este equipo agregó un 10% de arena a su lodo y en la prueba de retorta solo obtuvieron un 2% de sólidos suspendidos. Se esperaría que en dicha prueba por lo menos se obtuviera un 10% de sólidos que solo correspondería a la arena agregada, si hablamos de los aditivos del lodo, este porcentaje debería ser aún más alto a 10. Si los datos del equipo 1 fueran más acertados se esperaría que el porcentaje de volumen de los aditivos fuera menor ya que el lodo de este equipo era menos denso (9,03 lbm/gal), pero debido a la poca exactitud de los datos no podemos corroborar lo antes dicho.

5. CONCLUSIONES 





En la precisión de los resultados obtenidos se ve reflejado el buen muestreo que se lleva a cabo a la hora de conseguir una parte representativa del fluido de perforación para analizar. Es importante recalcar esta situación debido a que gran parte de los errores obtenidos en las pruebas se debe a una mala obtención de la muestra. Aunque el muestreo es un factor muy importante para obtener bajos porcentajes de error no hay que dejar de lado las herramientas adecuadas para realizar dichas medidas, ya que si no se cuenta con el equipo adecuado para realizar cada prueba se puede perder información importante muy fácilmente. Gracias a que en todo momento se mantuvo en constante movimiento el lodo de perforación, se logró una homogeneidad en la muestra desembocando en la toma de datos coherentes a los esperados.

6. ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS [4], [5] 1. Existen diferentes configuraciones de equipos para el control de sólidos, de acuerdo al tipo de fluido utilizado, si este es densificado o no. Buscar ambos esquemas y explicarlos. El objetivo del control de sólidos es alcanzar paso a paso la remoción progresiva de los sólidos perforados, esto permite que cada equipo optimice el funcionamiento del equipo siguiente dentro de la cadena de tratamiento. El control de los sólidos en el fluido de perforación se hace, generalmente, siguiendo el esquema:

Figura 2. Esquema general para el tratamiento de sólidos [1] El proceso inicia con el Shale Shaker retirando los sólidos de mayor tamaño. El desarenador elimina partículas de arena por efecto de la fuerza centrífuga, al pasar el fluido a presión por unos conos o hidrociclones. El esquema continúa con la eliminación de las partículas sólidas tamaño limo al pasar el lodo a presión por hidrociclones de menor tamaño. En el desgasificador o degasser, se desgasifica el fluido por acción del impacto o vacío; eliminando posibles riesgos de explosión. Ya en el tanque de sedimentación y reserva, se termina de “limpiar” el fluido de perforación a través del mud-cleaner, que funciona como el desarcillador pero con una malla más fina. Lo que realmente importa en un fluido cuando este es densificado o no, son las centrífugas decantadoras:

Figura 3. Operación Dual de Centrífugas para fluido no densificado.

Figura 4. Operación Dual de centrífugas para fluido densificado.

Es muy importante distinguir entre el uso de un fluido densificado y uno que no lo es. En los fluidos no densificados, son irrelevantes los sólidos que se extraen del lodo, es decir, la centrífuga trabaja independientemente separando la parte líquida y la parte sólida. Como se muestra en la figura 3 sólo se usan las bombas alimentadoras para abastecer el fluido a las centrífugas y naturalmente las centrífugas que entregan directamente los sólidos y los líquidos. En los fluidos densificados el interés está puesto en la economía, es decir, en recuperar el densificante, por lo anterior, se usa un sistema complejo que incorpora a la salida de sólidos de la primera centrífuga una tolva que es alimentada por una bomba adicional que posibilita retirar el agente densificante.

2. Realizar un informe de lectura breve y conciso del artículo “Dilution – Mud Engineer’s Core Business” resaltando el problema y la solución. El artículo fue escrito en el primer semestre del 2006 y trata de forma general el asunto tan cotidiano en una labor de perforación como lo es la dilución. Implementar de forma correcta una dilución en un fluido de perforación base agua es complejo, dinámico y altamente crítico en su planeación y ejecución. El hecho de realizar tasas de dilución sin una vigilancia constante y atenta a las consideraciones, puede contribuir al aumento significativo del costo del lodo. Éste artículo discute precisamente los factores físicos importantes para tener en cuenta en el manejo de las tasas de dilución y ofrece soluciones para ayudar a mejorar el desempeño de este parámetro basado en una adecuada y proactiva implementación. En general, la industria tiene un buen manejo de volúmenes y concentraciones de cada aditivo después de que estos están en el sistema, sin embargo, esto es sólo el comienzo. Los sistemas de lodos deben estar basados en:      

Mineralogía de la formación Tasa de penetración (ROP) Tamaño del hueco Estimación de la eficiencia de remoción de sólidos Contenido de arcillas Volumen total de circulación

Valores que de una u otra forma se miden directamente en la operación, a través de un balance que puede servir o no en la planificación de los tratamientos de recuperación o mantenimiento. Adicionalmente, la dilución se basa en mantener el “peso” del lodo, la viscosidad, MBT, fuerza gel estables, lo que obliga incluso al ingeniero más experimentado, a dejar de lado factores críticos que dictan diluciones mucho más reales. Afortunadamente, este inconveniente es prácticamente asunto del pasado, actualmente los ingenieros de lodo cuentan con equipos y software muy potentes que incluyen toda la dinámica de la perforación para un adecuado proceso de dilución, aunque con estos equipos tan sofisticados la garantía no es absoluta pues muchos de los factores involucrados en la dilución son desconocidos o cambian constantemente. Los factores críticos en una dilución son aquellos que necesitan un tratamiento matemático previo:     

Contenido de sólidos de baja gravedad Peso del lodo Gravedad específica de la barita a ser usada Gravedad específica de cada uno de los aditivos a usar Tasa de penetración



Tamaño de hueco y broca, entre otros

Pero el asunto ha sido tan ampliamente discutido que la empresa Baroid, ha desarrollado un software que integra todos los factores críticos de una dilución en un formato de balance de materiales que permite al ingeniero de lodos muchos escenarios donde la premisa es: qué pasa si… lo que es una solución parcial pero maravillosa que permite escatimar costos e inconvenientes. 3. Un análisis de contenido de sólidos (Retorta) de un lodo base agua de densidad 16 lbm/gal, indica un contenido de sólidos de 32,5% y un contenido de aceite de 0%. La titulación de azul de metileno de muestras de lodo, arcillas (bentonita) y sólidos perforados indica una CEC lodo de 6 meq/100mL, una CEC arcillade 15 meq/100 g, y una CEC sólidos perforados de 15 meq/100g. Determinar: a) La fracción de volumen total de sólidos de baja gravedad b) La fracción de volumen de bentonita c) La fracción de volumen de los sólidos perforados

a) Conociendo que el volumen de sólidos es 0,325 L, el de aceite 0 Ly el de agua 0,675 L asumiendo que la concentración de cloruros (Cs) tiene un valor correspondiente a 14,4 mg/L se tiene:

V ss =V s−V w

(

Cs =0.3249 168000−1.21 C s

)

Luego se encuentra la densidad de filtrado

ρf

con la expresión:

ρmf =1+ 0,00000109C s Reemplazando los datos:

ρmf =1,000015696

gr cc

Luego se calcula el volumen de sólidos de baja gravedad específica ( V LGS ) mediante la siguiente expresión:

V LGS =

[

]

1 100 ρmf + ( ρ B−ρ mf ) V SS−12 ρm ] −( ρmf −ρo ) V o ρ B−ρ LGS [

Dado que el volumen de aceite es cero, todo lo que tenga que ver con él se elimina de la expresión.

gr

Conocemos de datos de densidad que ρ B =4,20 cc , ρ LGS=2.6

(se supone

este valor pues se desconoce el dato):

V LGS =0,625 ( 100,016+103,97−192 )=0,0749 Luego la fracción del material densificante

(V B )

, se calcula usando la

siguiente ecuación

V B =V ss −V LGS Reemplazando los datos

V B =0.3250−0.0749≅ 0.25 b) Para calcular la fracción de volumen de bentonita se tiene en cuenta que

V b=32.5−7.49=25.01 M LGS =3.5(V LGS )(ρ LGS ) Reemplazando los datos

M LGS =3.5 ( 7.49 )( 2.6 ) ≅ 68.16

M (¿ ¿ LGS−MBT Lodo ) 1−R M ben=M LGS −¿

Donde

R=

MBT DS =015 100

M ben=68,16− V ben=

(68,16−30) Lb =23,27 1−0,15 bbl

23,27 =2,56 ( 3,5 ) (2,6)

c) Para calcular los sólidos perforados, ya sólo es cuestión de reemplazar en la ecuación

V ds=V LGS−V B V ds=7.49−2.56=4.93

4. ¿Por qué se debe mantener el valor de MBT constate mientras se perfora? Es importante recordar que la capacidad de azul de metileno de un fluido de perforación es un indicador de la cantidad de arcillas reactivas que hay presente en éste. Es importante mantener el valor de MBT constante principalmente por dos razones: como primera medida evitar el aumento de la contaminación por materiales “extraños” y por ende de los costos económicos y finalmente impedir daños en propiedades reológicas del fluido de perforación. 5. Cuando hay un aumento de MBT, ¿qué implicaciones trae al sistema de control de sólidos? Un aumento en el valor de MBT trae consigo la concentración de sólidos en el fluido de perforación lo que desencadena problemas en el pozo. También hay aumento de materiales arcillosos en el lodo, lo que puede ocasionar problemas en las centrífugas encargadas de retener sólidos de baja gravedad específica. Para evitar complicaciones mayores es indispensable que los desarcilladores se encuentren en buen estado de funcionamiento. 7. BIBLIOGRAFÍA [1] “Control de sólidos en fluidos de perforación”, [En línea]. Disponible: http://es.vbook.pub.com/doc/52068250/CONTROL-DE-SOLIDOS-EN-FLUIDOS-DEPERFORACION

[2] “Curso de control de sólidos”, [En línea]. Disponible: http://www.slideshare.net/javierportillo100/curso-de-control-de-slidos

[3] Laboratorio de Fluidos de Perforación, Guía de Prácticas. Universidad Nacional de Colombia, Sede Medellín. 2007 [4] Industrial & scientific Spares: “Contenido del kit de arena” [Online]. Disponible en http://www.isscivilsurvey.com/suil-testing-equipement.html [5] Curso de control de sólidos – MI SWACO