Capítulo 5 ARCILLAS

7/30/2019 Captulo 5 ARCILLAS

1/18

Captulo 5

QUIMICA DE LAS ARCILLAS

5.1. USO DE ARCILLAS EN LODOS DE PERFORACION 114

5.2. TIPOS DE ARCILLAS 115

5.2.1. Ilitas (arcillas de tres capas) 115

5.2.2. Cloritas (arcillas de tres capas) 116

5.2.3. Kaolinitas (arcillas de dos capas) 116

5.2.4. Arcillas montmorillonticas (arcillas de tres capas) 117

5.3. HIDRATACION DE LAS ARCILLAS 119

5.4. RENDIMIENTO DE LAS ARCILLAS 121

5.5. OTROS MATERIALES VISCOSIFICANTES 123

5.6. CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATINICO 124

5.6.1. Prueba de azul de metileno (MBT) 126

5.6.1.1. Interpretacin 126

5.7. RESISTIVIDAD 128

5.7.1. Determinacin de Rm, Rmc y Rmf 129
http://guia.pdf/


2/18

GUIA DE LABORATORIO DE LODOS Y CEMENTOSAutor. ELISERIO RODRIGUEZ BERMUDEZDirector. Ing. EMIIANO ARIZA LEON

114

5. QUIMICA DE LAS ARCILLAS

5.1. USO DE ARCILLAS EN LODOS DE PERFORACION

Un entendimiento riguroso de las arcillas puede ser la herramienta ms

valiosa del ingeniero de lodos. La arcilla puede ser aadida intencionalmente

o puede entrar en el lodo como contaminante importante mediante la

dispersin de los slidos de perforacin. En cualquier caso, la arcilla se

convierte en una parte activa del sistema. Por este motivo, es necesario

entender la qumica bsica de las arcillas para controlar correctamente los

lodos base agua. La qumica de las arcillas tambin es importante en lo que

se refiere a las interacciones entre los lodos base agua y las lutitas que

afectan la estabilidad del pozo.

En la industria de fluidos de perforacin, ciertos minerales arcillosos tales

como la esmectita, uno de los principales componentes de la bentonita, son

usados para proporcionar viscosidad, estructura de gel y control de filtrado.

Las arcillas de la formacin se incorporan inevitablemente en el sistema de

fluido de perforacin durante las operaciones de perforacin y pueden causar

varios problemas. Por lo tanto, los minerales arcillosos pueden ser

beneficiosos o dainos para el sistema de fluido.


3/18


115

5.2. TIPOS DE ARCILLAS

Existe un gran nmero de minerales arcillosos, pero los que nos interesan en

relacin con los fluidos de perforacin pueden ser clasificados en tres tipos.

El primer tipo consta de arcillas en forma de aguja no hinchables como la

atapulguita o la sepiolita. Se cree que la forma de las partculas es

responsable de la capacidad que la arcilla tiene para aumentar la viscosidad.

El tamao natural de cristales finos y la forma de aguja hacen que la arcilla

desarrolle una estructura de escobillas amontonadas en suspensin,

demostrando as una alta estabilidad coloidal, incluso en la presencia de una

alta concentracin de electrolitos. Debido a su forma y a sus caractersticas

no hinchables, estas arcillas demuestran un control de filtracin muy dbil.

Por este motivo, la atapulguita se usa principalmente como mejorador de

viscosidad en los lodos base agua salada, mientras que la sepiolita se usa

generalmente como viscosificador suplementario para los fluidos geotrmicos

y de alta temperatura. Estas arcillas no estn casi nunca presentes en las

lutitas de las formaciones.

El segundo tipo son las arcillas laminares no hinchables (o ligeramente

hinchables): ilita, clorita y kaolinita.

5.2.1. Ilitas (arcillas de tres capas)

Las ilitas tienen la misma estructura bsica que las montmorillonitas, pero no

muestran la capacidad de hinchamiento entre capas. En vez de lasustitucin de Al3+ por Mg2+ como en la montmorillonita, la ilita tiene una

sustitucin de Si4+ por Al3+, lo cual an produce una carga negativa. Los

cationes compensadores son principalmente el ion potasio (K+), como lo

indica la Figura 6. La carga negativa neta de la red que resulta de estas


4/18


116

sustituciones, mediante los iones potasio compensadores, es generalmente

mayor que la carga de la montmorillonita, pudiendo ser hasta una vez y

media ms grande que sta.

5.2.2. Cloritas (arcillas de tres capas)

Las cloritas estn estructuralmente relacionadas con las arcillas de tres

capas. Las cloritas no se hinchan en su forma pura, pero puede hacerse que

hinchen ligeramente al ser modificadas. En estas arcillas, los cationes

compensadores de carga entre las capas unitarias de tipo montmorillonita

son reemplazados por una capa de hidrxido de magnesio octadrico, o

brucita (ver la Figura 6). Esta capa tiene una carga positiva neta debido a la

sustitucin de ciertos Mg2+ por Al3+ en la capa de brucita.

Las cloritas se encuentran frecuentemente en antiguos sedimentos marinos

enterrados a grandes profundidades, y normalmente no causan ningn

problema importante a menos que estn presentes en grandes cantidades.

5.2.3. Kaolinitas (arcillas de dos capas)

La kaolinita es una arcilla no hinchable cuyas capas unitarias estn

fuertemente ligadas mediante enlaces de hidrgeno. Esto impide la

expansin de la partcula, porque el agua no es capaz de penetrar en las

capas. La kaolinita no contiene cationes entre capas ni tiene cargas

superficiales porque no se produce casi ninguna sustitucin en las hojas

tetradricas u octadricas. Sin embargo, algunas pequeas cargas puedenresultar de los enlaces rotos o las impurezas. La kaolinita se encuentra

comnmente como componente menor a moderado (5 a 20%) de las rocas

sedimentarias tales como las lutitas y las areniscas.


5/18


117

El tercer tipo son las montmorillonitas laminares muy hinchables.

5.2.4. Arcillas montmorillonticas (arcillas de tres capas)

La propiedad ms tpica de las montmorillonitas es la capacidad de

hinchamiento entre capas (hidratacin) con el agua (ver las Figuras 5 y 6).

Adems de la sustitucin del aluminio (Al3+) por el magnesio (Mg2+) en la

red de montmorillonita, muchas otras sustituciones pueden ser realizadas.

Por lo tanto, el nombre montmorillonita se usa frecuentemente como nombre

de grupo que incluye muchas estructuras minerales especficas. Sin

embargo, en los ltimos aos, se ha aceptado cada vez ms el nombre

esmectita como nombre de grupo, reservando el trmino montmorillonita para

los miembros predominantemente aluminosos del grupo. Este grupo de

minerales incluye la montmorillonita, la hectorita, la saponita, la nontronita y

otros minerales especficos.

La montmorillonita presente en las lutitas es generalmente la montmorillonita

clcica, porque est en equilibrio con el agua de la formacin, la cual es

generalmente rica en calcio.

La montmorillonita sdica (bentonita de Wyoming) tambin se aade

normalmente a un lodo para aumentar la viscosidad y reducir el filtrado. Las

propiedades de filtracin y reolgicas del lodo dependen de las cantidades de

las diferentes arcillas contenidas en el lodo. Como la montmorillonita es

aadida intencionalmente a un lodo para controlar estas propiedades, losotros tipos de arcillas pueden ser considerados como contaminantes, visto

que no son tan eficaces como una arcilla comercial.


6/18


118

La arcilla que existe naturalmente tiene una estructura apilada o estratificada,

en la cual cada capa unitaria tiene un espesor de aproximadamente 10

angstroms (). Esto significa que cada milmetro de espesor consta de

aproximadamente un milln de capas de arcilla. Cada capa de arcillas esaltamente flexible, muy fina, y tiene un rea superficial enorme. Se puede

considerar que una partcula individual de arcilla es algo parecido a una hoja

de papel o un trozo de celofn.

Figura 23. Comparacin de la estructura de las arcillas.

Fuente. Manual de fluidos de M-I


7/18


119

5.3. HIDRATACION DE LAS ARCILLAS

El cristal de bentonita se compone de tres capas: una capa de almina con

una capa de slice encima y otra debajo. La laminilla de arcilla est cargadanegativamente y una nube de cationes est relacionada con sta. Si un gran

nmero de estos cationes son sodio, la arcilla ser frecuentemente llamada

montmorillonita sdica. Si los cationes son principalmente calcio, la arcilla

Ser llamada montmorillonita clcica.

Segn el nmero de cationes presentes, el espacio entre capas de la

montmorillonita seca estar comprendido entre 9,8 (sodio) y 12,1 (calcio) y

lleno de agua fuertemente ligada. Cuando la arcilla seca entra en contacto

con agua dulce, el espacio entre capas se expande y la arcilla adsorbe una

gran envoltura de agua. Estos dos fenmenos permiten que las arcillas

generen viscosidad. Como lo indica la Figura 24, las bentonitas a base de

calcio slo se expanden hasta 17 , mientras que la bentonita sdica se

expande hasta 40 .

El espesor de la pelcula de agua adsorbida es controlado por el tipo y la

cantidad de cationes asociados con la arcilla. El agua que se adsorbe en las

grandes superficies planares contiene la mayor parte del agua total retenida

por las arcillas hidratables. Los cationes divalentes como Ca2+ y Mg2+

aumentan la fuerza de atraccin entre las laminillas, reduciendo as la

cantidad de agua que se puede adsorber. Los cationes monovalentes como

Na+ producen una fuerza de atraccin ms dbil, permitiendo que ms agua

penetre entre las laminillas.

Como la bentonita sdica se hincha cuatro veces ms que la bentonita

clcica, la bentonita sdica generar una viscosidad cuatro veces ms

importante. El captulo sobre los Sistemas a Base de Agua describe ms


8/18


120

detalladamente el papel que el intercambio basado en el calcio desempea

en los sistemas tratados con calcio.

Figura 24. Comparacin de la hidratacin de la montmorillonita sdica yclcica

Fuente. Internet

Adems de adsorber el agua y los cationes en las superficies exteriores, la

esmectita absorbe agua y cationes en las superficies entre las capas de su

estructura cristalina. La esmectita tiene una capacidad de adsorcin de agua

mucho ms grande que otros minerales arcillosos.


9/18


121

Las lutitas que contienen esmectita son las ms sensibles al agua y las ms

hidratables. Las lutitas que contienen otros minerales arcillosos tienen una

menor capacidad de hidratacin, aunque puedan ser sensibles al agua. La

mayora de las lutitas contienen varios tipos de arcillas en cantidadesvariables. La reactividad de una lutita depende de los tipos y de las

cantidades de minerales arcillosos presentes en la lutita

5.4. RENDIMIENTO DE LAS ARCILLAS

El rendimiento de las arcillas se define como el nmero de barriles de lodo de

15 cP (centipoise) que se puede obtener a partir de una tonelada de material

seco. La Figura 25 ilustra la razn por la cual se seleccion 15 cP como

valor determinante para el rendimiento. La parte crtica de la curva para

todos los tipos de arcilla aparece a 15 cP. Grandes adiciones de arcilla hasta

15 cP aumentan muy poco la viscosidad, mientras que las pequeas

cantidades de arcilla tienen un efecto marcado sobre la viscosidad de ms de

15 cP. Esto es cierto no solamente para las arcillas comerciales, sino

tambin para los slidos de perforacin hidratables. Tambin resulta vlido

que una suspensin de arcilla de 15 cP soportar la barita en los sistemas de

lodo densificado.

Este grfico puede ser muy til para el ingeniero de lodos. Para una

viscosidad determinada de las diferentes arcillas, se puede obtener datos

relacionados con la densidad de la lechada, el porcentaje de slidos en peso,

el rendimiento en barriles por tonelada, el porcentaje de slidos en volumen y

las libras de slidos por barril de lodo.





10/18


122



Figura 25. Rendimiento de algunos tipos de arcillas

Fuente. Manual de laboratorio de lodos y cementos. UIS





11/18


123



5.5. OTROS MATERIALES VISCOSIFICANTES

Adems de las arcillas que son los materiales mas comnmente usados para

darle viscosidad a los lodos, tenemos:

Asbestos: efectivos en agua fresca o salada, producen viscosidad

mecnicamente gracias a que las delgadas fibras que lo componen crean

un efecto de amontonamiento, tiene como desventaja el ser altamenteperjudicial para la salud ya que puede entrar fcilmente a los pulmones.

Polmeros: pueden ser naturales o sintticos, usualmente de alto peso

molecular. Polisacrido usado para generar viscosidad en agua fresca o

salada, provee viscosidad, yield y gel strenght en aguas salinas sin

necesidad de usar otros materiales coloidales tales como la bentonita; su

limitacin de temperatura est cerca de los 250F, debindose utilizar un

preservante para evitar la degradacin bacteriana.

Celulosa polianinica: es usada primordialmente como un controlador de

prdidas de fluido en agua fresca y salada, actuando tambin como un

viscosificante en estos sistemas; puede ser usado a temperaturas

superiores a los 300F y no est sujeto a degradacin bacteriana.

CMC carboximetil celulosa: es primariamente un fluido de control deprdida de fluido pero tambin produce viscosidad en agua fresca o

salada donde el contenido de sal no exceda los 50,000 mg/litro. El CMC

es una larga cadena molecular que puede ser polimerizada para producir

diferentes pesos moleculares y en efecto diferentes grados de viscosidad,


12/18


124

generalmente provee gran control de prdida de fluido; su lmite de

temperatura son los 250F y no est sujeto a degradacin bacteriana.

hidroxietil celulosa: es utilizado como viscosificante para trabajos deWorkover, ltamente soluble en cidos y efectivo como aditivo para

fluidos de Workover, al no suspender barita necesita de otros tipos de

polmeros para proveer viscosidad y gel strenght. 250F de temperatura

lmite.

Hidroxipropil guar gum y xanthan: es una mezcla en la cual existe una

proporcin de cada compuesto, con temperatura lmite de 250F yrequiere el uso de preservantes para prevenir la degradacin bacteriana.

Polmeros selectivos: usados primordialmente en sistemas de lodos no

dispersos, donde el mayor objetivo es la floculacin y remocin de los

slidos perforados, por ser floculantes efectivos en perforaciones donde

se aplica agua clara, lodos no dispersos y lodos salinos de cualquier

concentracin.

5.6. CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATINICO

Cationes compensadores que se adsorben en la superficie de la capa

unitaria pueden ser cambiados Por otros cationes y se llaman los cationes

intercambiables de la arcilla. La cantidad de cationes por peso unitario de la

arcilla es medida y registrada como la CEC (capacidad de intercambio

Catinico). La CEC est expresada en miliequivalentes por 100 g de arcillaseca (meq/100 g). La CEC de la montmorillonita est comprendida dentro

del rango de 80 a 150 meq/100 g de arcilla seca. La CEC de las ilitas y

cloritas es de aproximadamente 10 a 40 meq/100 g, y la CEC de las

kaolinitas es de aproximadamente 3 a 10 meq/100 g de arcilla.


13/18


125

La Prueba de Azul de Metileno (MBT) es un indicador de la CEC aparente de

una arcilla. Cuando se realiza esta prueba sobre un lodo, se mide la

capacidad total de intercambio de azul de metileno de todos los mineralesarcillosos presentes en el lodo.

Normalmente se registra la Capacidad de Azul de Metileno (MBC) como

cantidad equivalente de bentonita de Wyoming requerida para obtener esta

misma capacidad. Es importante notar que la prueba no indica directamente

la cantidad de bentonita presente. Sin embargo, la cantidad aproximada de

bentonita y slidos en el lodo puede ser calculada basndose en el hecho de

que los slidos de perforacin normales tienen una CEC equivalente a 1/9 de

la CEC de la bentonita, y si se calcula la cantidad de slidos de perforacin

presentes en el lodo a partir de un anlisis de retorta. Este clculo

aproximado de la cantidad de bentonita aadida y slidos de perforacin

puede ser ms preciso cuando se mide la MBC de los recortes de

perforacin. Este procedimiento puede ser til para evaluar la cantidad y la

calidad de las arcillas en el lodo.

Para hacerse una idea de los cationes que reemplazarn a otros cationes en

las posiciones de intercambio, se acepta generalmente la siguiente

secuencia, disponindola en orden de preferencia decreciente:

H+> Al3+> Ca2

+> Mg2+> K+> NH4

+>Na+> Li+

Es decir que cualquier catin a la izquierda reemplazar a cualquier catinubicado a su derecha. La concentracin relativa de cada catin tambin

afecta esta preferencia de intercambio catinico. Aunque resulte ms difcil

reemplazar el calcio que el sodio, si la concentracin inica de Na+ es

considerablemente ms alta que la concentracin de Ca2+, el sodio


14/18


126

desplazar al calcio. El intercambio catinico puede resultar de un cambio

de temperatura visto que muchos compuestos tienen diferentes relaciones de

solubilidad a temperatura. La solubilidad de algunas de las sales clcicas

comunes, tales como CaSO4, disminuye a grandes temperaturas, mientrasque la solubilidad de la mayora de los compuestos de sodios aumenta. A

medida que la concentracin de Na+/Ca2+ aumenta, los cationes Ca2

+ de la

arcilla tienden a ser reemplazados por los cationes Na+ de la solucin.

5.6.1. Prueba de azul de metileno (MBT)

La capacidad al Azul de Metileno de un fluido de perforacin es una

indicacin de la cantidad de arcillas reactivas (bentonita o slidos de

perforacin) presentes, determinadas por el ensayo del Azul de Metileno

(MBT). La capacidad al Azul de Metileno da un estimado de la capacidad

total de intercambio catinico de los slidos en el fluido de perforacin. La

capacidad al Azul de Metileno y la capacidad de intercambio catinica no son

necesariamente equivalentes, siendo normalmente la capacidad al Azul de

Metileno algunas veces menor que la capacidad de intercambio catinico

real. La solucin de Azul de Metileno se agrega a la muestra del fluido de

perforacin, la cual ha sido acidificada y tratada con el perxido de

hidrgeno. El punto final de la titulacin se denota por la formacin de un

halo coloreado alrededor de una gota del lodo pretratado, colocada sobre

un papel de filtro.

5.6.1.1. Interpretacin

El valor obtenido nos mostrar la capacidad de intercambio catinico de los

materiales que construyen la porcin de slidos en el lodo, los cuales son

arcillas provenientes de la bentonita comercial que ha sido aadida para

obtener las propiedades del lodo deseadas y los slidos que han sido


15/18


127

incorporados al sistema provenientes de los cortes perforados. En algunos

casos los slidos perforados pueden tener una alta capacidad de intercambio

incrementando la medida del MBT en el lodo. El MBT es reportado en libras

de bentonita por barriles de lodo y es tomado como la cantidad de bentonitaen el sistema, lo que no es cierto. Un mejor trmino sera bentonita

equivalente de los slidos.

El MBT debe ser corrido usando qumicos frescos. Al calcular la bentonita

comercial y obtener valores negativos o cero, quiere decir que tiene cero de

bentonita comercial y que todo el valor obtenido en el MBT procede de

slidos perforados.

El total de slidos de baja gravedad en lpb incluyen la bentonita comercial

aadida, los slidos perforados activos y no activos. La relacin de slidos

perforados (D) a bentonita comercial (B) ha sido establecida como un

importante indicador de la condicin general de un lodo de bajo contenido de

slidos no disperso (polmero). Para estos lodos la relacin (D/B) debe ser

menor de 3 a 1 para mantener estable las propiedades y evitar problemas.

En sistemas de bajo contenido de slidos est relacin no debe ser mayor de

2 a 1.

LGS (lpb) = D (lpb) + B (lpb)

8

%%

LGSMBTB

=

B (lpb) = (MBT - %LGS) x 1.138 Donde:

%LGS = porcentaje de slidos de baja gravedad

LGS = slidos de baja gravedad

MBT = valor obtenido en la prueba de MBT.


16/18


128

%B = porcentaje de bentonita comercial

B = bentonita comercial

D = slidos perforados.

Las anteriores ecuaciones son utilizadas para el control del lodo con MBT.

Esta prueba debe ser corrida diariamente al lodo donde se espera encontrar

arcillas; en la lnea de succin y en la lnea de flujo, para determinar la

cantidad de agua necesaria a aadir; como los materiales necesarios para

tratar el lodo.

La bentonita y otras sustancias absorben el azul de metileno en un lodo, el

tratamiento con perxido de hidrgeno es para eliminar este efecto con

materiales orgnicos tales como CMC, poliacrilatos, lignosulfonatos y lignitos.

Los resultados de las ecuaciones anteriores, junto con los resultados de la

prueba de la retorta se usan para calcular las cantidades reales de slidos de

baja gravedad perforados y de bentonita, para esto hacemos uso de la

ecuacin de balance de masa.

5.7. RESISTIVIDAD

El lodo es el medio en el cual se movilizan las herramientas de registro. En el

caso especfico del registro de resistividad de formacin hecho con

electrodos de corriente, el lodo constituye el medio que cierra el circuito

elctrico entre la herramienta de registro y la formacin.

Elctricamente, los lodos se clasifican en conductivos y no conductivos. Los

fluidos no conductivos son: el aire, el gas, y los lodos de base aceite que se

caracterizan por ser aislantes perfectos, impidiendo la continuidad del flujo


17/18


129

elctrico. Los lodos conductivos son a base de agua y, por lo general la

mayora de los registros se corren con estas condiciones.

La conduccin elctrica en lodos de base agua, en la torta y el filtrado,obedece al fenmeno de la conduccin electroltica. Como tal, la habilidad

para transportar la corriente elctrica depender entonces: del volumen de

agua contenido, que es aproximadamente la misma en todos los lodos, del

nmero de iones disociados en solucin y de la temperatura.

El nmero de iones disueltos es un factor que tiene amplias variaciones. As,

es posible tener un lodo preparado con agua dulce con muy pocos iones

disociados debido a la carencia de aditivos, los cuales aumentaran el

nmero de iones disociados; o en forma inversa, un lodo preparado con agua

salada que contenga grandes cantidades de Calcio, Magnesio e iones de

sodio presentes debido a la adiccin de compuestos a contaminantes

provenientes de otras formaciones. Se puede concluir por tanto, que los

lodos de base agua y sus derivados, tendrn un amplio espectro de

resistividades dependiendo generalmente del tipo de agua empleada para

preparar el lodo, de los aditivos usados y, en algunos casos, a la presencia

de otros iones por contaminacin de otras formaciones mientras se perfora.

5.7.1. Determinacin de Rm, Rmc y Rmf

Las muestras de revoque (torta) y filtrado son obtenidas a partir del lodo por

medio de las pruebas de filtrado (API o HPHT). Las resistividades del lodo

(Rm), filtrado (Rmf), torta (Rmc) en (ohmio-metro) y temperatura asociada,son normalmente medidas por la compaa de servicios en una celda de

resistividad diseada para el caso, a partir de una muestra representativa del

lodo en superficie obtenida de la lnea de retorno o de la piscina del lodo,

momentos antes de suspender la circulacin y sacar la sarta de perforacin


18/18

GUIA DE LABORATORIO DE LODOS Y CEMENTOSAutor. ELISERIO RODRIGUEZ BERMUDEZDirector Ing EMIIANO ARIZA LEON

130

para dar paso a las operaciones de registro. Los registros son normalmente

impresos en el encabezado de los perfiles.

En ausencia de las muestras del revoque y filtrado, es posible obtenervalores de correlacin para Rmf y Rmc a partir de Rm y mediante la

utilizacin de grficas.

Se prefieren medidas directas de muestras de filtrado y revoque (torta) del

lodo. Cuando esto no es posible, la resistividad del filtrado (Rmf), y la

resistividad del revoque (Rmc), pueden ser estimadas con las grficas a

partir de las siguientes formulas

07.1)(RmKmRmf =

65.2

)(69.0

=

Rmf

RmRmfRmc

Documents

Capítulo 5 ARCILLAS