Upload
doanh
View
219
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA
SINTESIS Y EVALUACION DE ADITIVOS A PARTIR DE ACEITE
VEGETAL NACIONAL PARA LODOS DE PERFORACIÓN
Verónica Ayala Febres
Tutor: Dr. Ernest Bordier
Caracas, 23 de marzo del 2004
APROBACIÓN
Considero que el Trabajo de Grado titulado
SINTESIS Y EVALUACION DE ADITIVOS A PARTIR DE ACEITE
VEGETAL NACIONAL PARA LODOS DE PERFORACIÓN
Elaborado por la ciudadana
Verónica Ayala Febres
Para optar el título de
Ingeniero Químico
Reúne los requisitos exigidos por la Escuela de Ingeniería Química de la
Universidad Metropolitana y tiene méritos suficientes como para ser sometido
a la presentación y evaluación exhaustiva por parte del jurado examinador
que se designe.
En la ciudad de Caracas, a los 12 días del mes de abril de 2004
____________________ Por Dr. Ernest Bordier
DERECHO DE AUTOR
Cedemos a la Universidad Metropolitana el derecho de reproducir y difundir
el presente trabajo, con las únicas limitaciones que establece la legislación
vigente en materia de derecho de autor.
En la ciudad de Caracas, a los 23 días del mes de marzo de 2004
___________________
Verónica Ayala Febres
ACTA DE VEREDICTO
Nosotros, los abajo firmantes, constituidos como jurado examinador y
reunidos en Caracas, el 12 de abril de 2004, con el propósito de evaluar es
Trabajo de Grado titulado:
SINTESIS Y EVALUACION DE ADITIVOS A PARTIR DE ACEITE
VEGETAL NACIONAL PARA LODOS DE PERFORACIÓN
Presentado por la ciudadana:
Verónica Ayala Febres
Para optar el título de
Ingeniero Químico
Emitimos el siguiente veredicto:
Reprobado ____ Aprobado ____ Notable ____ Sobresaliente____
Sobresaliente con Mención Honorífica _____
Observaciones
_____________________________________________________________
_____________________________________________________________
__________________ __________________ _________________
Nancy Perez Beatriz Leal Ernest Bordier
AGRADECIMIENTOS
Al Profesor Ernest Bordier, por ser uno de los pilares de este trabajo …
¡Gracias!
A la gente del Laboratorio El Samán, Rubén Cargnel, Hernán Valera y los
técnicos del laboratorio … ¡Gracias!
A Laura, Guillermo, Ana Sofia, Meche, Ana Cris, Freddy, Fifi, Miguel, Caco,
Pío, Mako y Finfon … ¡Gracias!
Al las familias Engler y Luzardo … ¡Gracias!
A la gente de la Universidad, Magaly Villegas, Miguel, Miguel Angel …
¡Gracias!
INDICE DE CONTENIDO
N° página Lista de Tablas y Figuras……………………………………………… i Resumen…………………………………………………………………. v Introducción……………………………………………………………… 1 I. Planteamiento del problema……………………………….……… 3 II. Fundamento Teórico…………………………………………….… 5
II.1 Fluido de perforación…………………………………………..… 6 II.1.1 Definición………………………………………………….… 6 II.1.2 Funciones…………………………………...…………….… 6 II.1.3 Limitaciones……………………………..…………… ……. 9 II.1.4 Diseño……………………………………...……………….. 10 II.1.5 Clasificación……………………………...……………….… 10
II.1.5.1 Lodos con base de agua…………...……….….. 10 II.1.5.2 Lodos con base de gas……………...……….…. 11 II.1.5.3 Lodos con base de aceite………..……………… 12
II.1.5.3.1 Aditivos de los fluidos base aceite…………………..…………….. 14
II.1.6 Reología…………………………………...………………... 17 II.1.6.1 Definición………………………………………….… 17 II.1.6.2 Viscosidad………………………………….……….. 17 II.1.6.3 Régimen laminar y turbulento………………….…. 17 II.1.6.4 Velocidad y tensión de corte………...………….… 19 II.1.6.5 Fluidos newtonianos y no newtonianos…………. 19
II.1.6.5.1Ecuaciones que rigen su comportamiento………………...........… 20
II.1.6.6 Comportamiento tixotrópico…………………...…. 21 II.1.7 Propiedades físicas, químicas y reológicas …………..... 22
II.1.7.1 Densidad……………………………………....……. 22 II.1.7.2 Propiedades reológicas…………………………… 23 II.1.7.2.1 Punto cedente………………………………...…. 23
II.1.7.2.2 Viscosidad plástica……………..…...………..…. 24 II.1.7.2.3 Resistencia de gel …………………...…………. 26 II.1.7.3 Pérdidas de fluido por filtración………...........…... 28 II.1.7.4 Sólidos……………………………………...........…. 31 II.1.7.5 pH…………………………………………...........…. 33 II.1.7.6 Conductividad…………………………………….… 33
II.2 Surfactante………………………………………………….....….. 35 II.2.1Definición…………………………………………...........….. 35 II.2.2 Clasificación……………………………………………....… 36 II.2.3 Surfactantes catiónicos…………………………...........…. 37
II.2.3.1 Nomenclatura de aminas y amonios cuaternarios………………………………..……. 37
II.2.3.2 Usos de los surfactantes catiónicos……………... 38 II.2.4 Materia prima para surfactantes: Aceites y grasas
naturales……………………………………………………... 39 II.3 Amidoaminas………………………………………………..….… 42
II.3.1 Definición………………………………………………....… 42 II.3.2 Compuestos base para la formación de
amidoaminas……………………………………………....... 42 II.3.2.1 Variación en la porción ácido………………………….... 42 II.3.2.2 Variación en el grupo funcional amino……………….... 43 II.3.3 Preparación y estructura final……………………..……... 43 II.3.4 Representación de la reacción……………………..…..… 46 II.3.5 Propiedades físicas………………………………….…….. 47 II.3.6 Derivados de las amidoaminas…………………….…….. 48 II.3.7 Aplicaciones en fluidos de perforación…………….…..... 49 II.3.8 Método analítico para la identificación por rayos
infrarrojos……………………………………………....……. 49 II.3.9 Ecología de los amonios cuaternarios……………....…... 50 II.3.10 Imidazolina………………………………………….…….. 50
II.3.10.1 Definición…………………………………....…... 50 II.3.10.2 Obtención…………………………………..…… 50 II.3.10.3 Método de preparación……………………....... 51
II.4 Emulsionante y agente humectante………………………….... 53 II.4.1 Definición………………………………………………….... 53 II.4.2 Definición de emulsión…………………………………...... 53 II.4.3 Comportamiento de los emulsionantes………………….. 53 II.4.4 Criterio de la estabilidad de una emulsión…………….… 55
II.4.5 Comportamiento de los agentes humectantes…………. 56
III. Parte Experimental……………………………………………....... 58 III. 1.Síntesis de los aditivos……………………………………..... 60
III.1.1 Materia prima, reactivos y solventes………………... 60 III.1.2 Equipos utilizados en la etapa de elaboración de
aditivos…………………………………………………. 61 III.1.3 Procedimiento experimental utilizado para la
obtención de los aditivos……………………………... 62 III.1.3.1 Procedimiento utilizado en la etapa inicial... 62 III.1.3.2 Procedimiento utilizado en la etapa final…. 63
III.1.4 Observaciones experimentales de la síntesis de los aditivos……………………………………………….… 64
III.2 Medición de las propiedades reológicas y físicas de los aditivos obtenidos…………………………………………………. 66 III.2.1 Equipos …………………………………………………….. 66 III.2.2 Procedimiento para la evaluación de los aditivos en un
lodo base aceite…………………………………………... 68 III.2.2.1 Formulación del lodo ………………………….... 69 III.2.2.2 Determinación de la densidad ……………..…. 70 III.2.2.3 Determinación de la viscosidad plástica y
punto cedente…………………………………… 71
III.2.2.4 Determinación de la resistencia de gel…….…. 71 III.2.2.7 Determinación del filtrado APAT ……………… 72 III.2.2.8 Determinación de la estabilidad de la
emulsión…………………………………………. 74 III.2.3 Observaciones experimentales de la medición de las
propiedades reológicas………………………………….. 75
IV. Resultados y Análisis de resultados……………………… 77 IV. 1 Análisis de los Resultados obtenidos en el laboratorio El
Samán …………………………………………………………. 77 IV. 2 Análisis de los Resultados obtenidos en el laboratorio
PRIDE………………………………………………………….. 85
V. Conclusiones y Recomendaciones………………………… 91 VIII. Referencias Bibliográficas………………………………... 94
IX. Apéndices…………………………………………………. 97 Apéndice A Formulación de las Muestras A, B, C y D con el
Aditivo 1 y sus respectivas propiedades reológicas y físicas antes del envejecimiento………………………. 98
Apéndice B Formulación de las Muestras A, B, C y D con el Aditivo 2 y sus respectivas propiedades reológicas y físicas antes del envejecimiento………………………. 99
Apéndice C Formulación de las Muestras A, B, C y D con el Aditivo 3 y sus respectivas propiedades reológicas y físicas antes del envejecimiento………………………. 100
Apéndice D Concentraciones óptima de los aditivos 1, 2 y 3 en la formulación descrita………………………………….…. 101
Apéndice F Formulación de las Muestras AO, BO y CO con las concentraciones óptimas de los aditivo y sus respectivas propiedades físicas y reológicas antes y después de envejecer………………………………….. 102
Apéndice G Formulación de las Muestras EO, FO y GO con las concentraciones óptimas de los aditivo y sus respectivas propiedades físicas y reológicas antes y después de envejecer………………………………….. 103
Apéndice H Especificaciones para un fluido de perforación de emulsión inversa 10/90 y 9.5 lpg. de densidad……... 104
Apéndice I Valores de punto cedente según la concentración del Aditivo1, 2 y 3 utilizada…………………………………… 105
Apéndice J Características del filtrado y revoque…………………… 107 Apéndice K Imágenes de equipos utilizados …………………..……. 108
Glosario de Términos…………………………………………………... 111
Glosario de Unidades…………………………………………………... 115
i
LISTA DE TABLAS Y FIGURAS
LISTA DE TABLAS Tabla 01 Composición (%) en ácidos grasos de ciertos aceites
vegetales………………………………………………………….. 41 Tabla 02 Resumen de las etapas de trabajo simplificado para la
síntesis de los aditivos…………………………………………... 60 Tabla 03 Especificación de la poliamina…………………………………. 60 Tabla 04 Formulación utilizada por el Laboratorio El Samán para
lodos de emulsión inversa....................................................... 69 Tabla 05 Formulación de las Muestras A, B, C y D con el Aditivo 1 y
sus respectivas propiedades reológicas y físicas antes del envejecimiento........................................................................ 98
Tabla 06 Formulación de las Muestras A, B, C y D con el Aditivo 2 y sus respectivas propiedades reológicas y físicas antes del envejecimiento......................................................................... 99
Tabla 07 Formulación de las Muestras A, B, C y D con el Aditivo 3 y sus respectivas propiedades reológicas y físicas antes del envejecimiento......................................................................... 100
Tabla 08 Concentraciones óptima de los aditivos 1, 2 y 3 en la formulación descrita................................................................ 101
Tabla 09 Formulación de las Muestras AO, BO y CO con las concentraciones óptimas de los aditivos y sus respectivas propiedades físicas y reológicas antes y después de envejecer................................................................................. 102
Tabla 10 Formulación de las Muestras EO, FO y GO con las concentraciones óptimas de los aditivo y sus respectivas propiedades físicas y reológicas antes y después de envejecer.................................. ……....................................... 103
Tabla 11 Especificaciones para un fluido de perforación de emulsión inversa 10/90 y 9.5 lbpg de densidad........................................ 104
Tabla 12 Glosario de unidades 115
ii LISTA DE FIGURAS Figura 01 Aminas y amonios no cíclicos…………………………………. 38 Figura 02 Reacción entre un ácido carboxílico y una poliamina………. 42 Figura 03 Formación de la sal de amina……………..………………….. 44 Figura 04 Formación de imidazolina a partir de DETA ………………… 45 Figura 05 Representación de la síntesis de la imidazolina por Linfield. 46 Figura 06 Imidazolinas cuaternizadas al aplicar el impedimento
estérico (B) y sin aplicarlo (A)…………………………………. 52 Figura 07 Equipo utilizado en la etapa de la síntesis de los
aditivos…………………………………………………………… 108 Figura 08 Horno de envejecimiento………………………………………. 109 Figura 09 Celdas de envejecimiento……………………………………... 109 Figura 10 Balanza de lodos……………………………………………….. 109 Figura 11 Medidor de la estabilidad eléctrica…………………………… 109 Figura 12 Licuadora Multimixer………………………………………….... 110 Figura 13 Viscosímetro de lectura directa……………………………….. 110 Figura 14 Equipo de filtración para altas presiones y temperaturas….. 110
iii LISTA DE GRAFICOS Gráfico 01 Gráfico comparativo entre los fluidos newtonianos y los
fluidos plásticos no newtonianos en función de lavelocidad de corte donde se visualiza el punto cedentepara los fluidos plásticos………………………………….… 21
Gráfico 02 Generalización de las fuerzas de los diferentes geles…… 27 Gráfico 03 Valores de punto cedente (lb/100ft2) obtenidos utilizando
las concentraciones óptimas señaladas en la formulacióny con sus especificaciones respectivas. … ………………... 78
Gráfico 04 Valores de punto cedente (lb/100ft2) después deenvejecer obtenidos utilizando las concentracionesóptimas señaladas en la formulación y con susespecificaciones respectivas. ……………..………………. 79
Gráfico 05 Valores de punto cedente (lb/100ft2) antes (AO, BO, CO)y después (AO’, BO’, CO’) de envejecer obtenidosutilizando las formulaciones óptimas (Apéndice E) y consus especificaciones respectivas. …………………..…….. 80
Gráfico 06 Valores de viscosidad plástica (cP) antes (AO, BO, CO) ydespués (AO’, BO’, CO’) de envejecer obtenidosutilizando las formulaciones óptimas (Apéndice E)……….. 81
Gráfico 07 Valores de Fuerza gel (lb/100ft2) después (AO’, BO’, CO’)de envejecer obtenidos utilizando las formulacionesóptimas (Apéndice E)…………………………….………….. 82
Gráfico 08 Valores de pérdidas por filtrado (lb/100ft2) después (AO’,BO’, CO’) de envejecer obtenidos utilizando lasformulaciones óptimas (Apéndice E)………………………. 83
Gráfico 09 Valores de estabilidad eléctrica (Voltios) y antes (AO, BO,CO) y después (AO’, BO’, CO’) de envejecer obtenidosutilizando las formulaciones óptimas (Apéndice E), y surespectiva especificación……………………………………. 84
Gráfico 10 Valores de la viscosidad plástica (cP) para la formulaciónFO antes y después del calentamiento (FO’) obtenidos apartir del Apéndice F……………………………………….... 86
Gráfico 11 Valores del punto cedente (lb/100ft2) para la formulaciónFO antes y después del calentamiento (FO’) obtenidos apartir del Apéndice F comparados con lasespecificaciones (Ver Apéndice G). ………………..……… 87
Gráfico 12 Valores de las fuerzas de gel (lb/100ft2) para laformulación FO’ después del calentamiento obtenidos apartir del Apéndice F y comparados con un gel favorable 87
iv
(Ver Apéndice G)………………………………..…………… Gráfico13 Valores de la estabilidad eléctrica (V) para la formulación
FO y después del calentamiento (FO’) obtenidos a partirdel Apéndice F comparados con las especificaciones…… 88
Gráfico 14 Valores de punto cedente según la concentración del Aditivo1 y las especificaciones respectivas (Apéndice G) 105
Gráfico 15 Valores de punto cedente según la concentración del Aditivo2 y las especificaciones respectivas (Apéndice G) 105
Gráfico 16 Valores de punto cedente según la concentración del Aditivo3 y las especificaciones respectivas (Apéndice G) 106
v
RESUMEN En el presente trabajo, se pretende elaborar tres productos a nivel de
laboratorio, para evaluar su comportamiento como agentes emulsionantes
secundarios y agentes humectantes en los fluidos de perforación con base
de aceite.
El trabajo se dividió en dos etapas. La etapa inicial comprendió la síntesis de
los tres aditivos a partir de una combinación de ácidos grasos vegetales
nacionales y una poliamina, lo que se llevó a cabo en el Laboratorio de
Investigación de la Universidad Metropolitana. La etapa final, se desarrolló en
el Laboratorio El Samán (Tecnología Integral de Petróleo) y abarcó la
medición de las propiedades físicas y reológicas de dichos aditivos presentes
en una formulación de lodos de perforación con base de aceite.
Los resultados de la investigación más importantes fueron que los Aditivos 1,
2 y 3, actúan como agentes emulsionantes secundarios y agentes
humectantes a una concentración de 4, 1.25 y 2.75 lbpb. respectivamente.
Los valores de punto cedente (13, 7 y 7 lb/100ft2) y de geles (16/26, 4/18 y
5/9 lb/100ft2) después de envejecer se encuentran dentro de las
especificaciones de un lodo de emulsión inversa de 9.5 lbpg. En todos los
casos, los valores de pérdida por filtrado se encuentran por debajo de los 10
cc.. Los filtrados producidos no presentaron agua y las características de los
revoques generados fueron adecuadas.
Se recomienda sintetizar nuevamente los aditivos y utilizar técnicas
analíticas, como la espectrometría por el infrarrojo, la espectrometría de
masas o la resonancia magnética para caracterizar los aditivos elaborados.
. Introducción
INTRODUCCIÓN
Este trabajo de grado ha sido realizado principalmente por ser requisito para
optar por el título de Ingeniero Químico de la Universidad Metropolitana.
Con este trabajo se conseguirá la elaboración de varios aditivos a partir de
aceites vegetales nacionales para lodos de perforación con base de aceite.
Por lo tanto, se pretende sintetizar varios aditivos a partir de una mezcla de
aceites vegetales nacionales y una poliamina importada siguiendo la
reacción de síntesis de la diamidoamina. Al final de la reacción mencionada,
en algunos casos, se agregarán diferentes reactivos para conseguir distintos
agentes humectantes y agentes emulsionantes secundarios. Luego, se
medirán las propiedades reológicas y físicas de los aditivos en una
formulación de lodos con base de aceite y se compararán con las
especificaciones.
El trabajo consta de cinco capítulos. El Capítulo I llamado Tema de
Investigación se refiere al planteamiento del problema y los objetivos. En el
Capítulo II denominado Fundamento Teórico se exponen los diferentes
conceptos necesarios para comprender la investigación realizada. Entre los
conceptos más relevantes expuestos se encuentran: Funciones, clasificación
y propiedades reológicas, físicas y químicas de los fluidos de perforación;
Clasificación y materia prima de los surfactantes; Métodos de preparación y
1
. Introducción
aplicación de la diamidoamina; y características relevantes de los agentes
emulsionantes y humectantes. El Capítulo III titulado: Parte experimental
incluye los procedimientos experimentales llevados a cabo para la obtención
y evaluación de los aditivos obtenidos. En el Capítulo IV denominado
Resultados y Análisis de resultados, se esquematizan los resultados
obtenidos y se analizan los mismos. Por último, el Capítulo V, comprende las
conclusiones y recomendaciones de este trabajo y en el capítulo VI, se
exponen los diferentes apéndices entre los más importantes son: El
Apéndice E y El Apéndice G, el primero expone los resultados de los lodos
antes y después de envejecer en forma tabulada y el G expone las
especificaciones de un fluido de perforación según las referencias citadas.
2
. Capítulo I. Tema de investigación I. Tema de investigación I. 1 Planteamiento del problema Venezuela como país productor de petróleo posee altos requerimientos en
materia de lodos de perforación. De allí, la necesidad de promover la
producción de aditivos nacionales que conforman al lodo de perforación. Por
consecuencia, surge la inquietud de elaborar un agente emulsionante y
humectante para lodos con base de aceite a partir de aceites vegetales
nacionales para la reducción de costos de materia prima necesaria para la
producción de fluidos de perforación. Por lo tanto se observará la acción de
dichos aditivos por medio del análisis de las propiedades físicas, químicas y
reológicas del lodo de perforación.
I. 2 Objetivos de la investigación I.2.1 Objetivo general
Síntesis y evaluación de aditivos elaborados a partir de aceite vegetal
nacional para lodos de perforación con base de aceite.
I.2.2 Objetivos específicos
• Síntesis de tres agentes emulsionantes y agentes humectantes a partir
de aceites vegetales nacionales.
• Medir las propiedades reológicas, físicas y químicas de los aditivos
aplicadas en los lodos con base de aceite.
• Comparar las propiedades químicas, físicas y reológicas de los
diferentes lodos preparados con las especificaciones para un lodo de
emulsión inversa de 9.5 lbpg.
4
. Capítulo II. Fundamento Teórico II.1 Fluido de perforación
II.1.1 Definición de fluido de perforación:
El Instituto Americano de Petróleo (API) define el fluido de perforación como
un fluido de circulación usado en los taladros rotatorios para desarrollar una
o todas las funciones requeridas en la operación de perforación. Un fluido de
perforación que posea sólidos suspendidos se denomina lodo de perforación
II.1.2 Funciones del fluido de perforación:
• Transportar hacia arriba los cortes del fondo generados por el
taladro y permitir su separación en la superficie.
Para este fin se introduce un fluido de perforación dentro de la
columna de perforación y a través de la barrena para que el fluido
arrastre y transporte los recortes hasta la superficie. Este proceso de
remoción depende principalmente de la velocidad de penetración,
velocidad anular del fluido de perforación, de la rotación de la
columna, densidad, viscosidad y de la resistencia de gel del fluido.
Además, depende del tamaño, forma y densidad de los recortes. Estos
deben mantener un nivel apropiado para alcanzar la remoción óptima
de los cortes, cuando el fluido esté circulando, para que los cortes
queden suspendidos en el momento que la circulación cese. De igual
forma, el fluido debe permitir la extracción de los cortes por medio de
un equipo de control de sólidos en la superficie para poder ser 6
. Capítulo II. Fundamento Teórico
recirculado. La remoción y suspensión de los sólidos puede ser
controlada con la adición de aditivos.
• Limpiar el fondo del taladro.
El peso de los cortes, el tipo de taladro, la velocidad de rotación, la
velocidad anular, la tasa de flujo, la presión diferencial, la localización
del inyector, la pérdida de fluido y el contenido de sólidos en el fluido,
afectan la remoción de los cortes de perforación por debajo del
taladro. Una buena programación del balance hidráulico provee
suficiente velocidad anular y permite el cruce de las corrientes a través
de la cara de la roca para cargar el corte hacia arriba y maximizar la
eficiencia de la perforación y prevenir la acumulación del corte.
• Enfriar y reducir la fricción entre la sarta de perforación y las
paredes del hoyo.
En la perforación se genera calor y fricción, debido al contacto de la
sarta con la formación. El fluido de perforación dispersa el calor y se
enfría al regresar a la superficie. El fluido de perforación también
lubrica y reduce la fricción entre el taladro y la sarta. La mayoría de los
fluidos son buenos lubricantes, ya que normalmente contienen aditivos
que reducen la fricción, tales como: la bentonita y varios polímeros.
7
. Capítulo II. Fundamento Teórico
• Prevenir la entrada de fluidos a través de las rocas permeables.
El fluido debe soportar las paredes del hoyo y formar una fina torta
impermeable llamada revoque, resistente sobre la pared del hoyo. Al
ser poco permeable dicha capa, ésta asegura la integridad de las
condiciones naturales del pozo al no permitir el paso del fluido a través
de las formaciones naturales. Cuando la presión de la columna es
mayor que la presión de la formación se origina una filtración excesiva
a la formación. Si se origina un grueso revoque y una invasión
excesiva se originan diversos problemas como: mayor torque, tuberías
atascadas, pérdidas de circulación y daños a la formación.
• Mantener la estabilidad de las diferentes secciones del hoyo.
Los factores que causan inestabilidad en el hoyo son numerosos y
difíciles de identificar. El equilibrio entre los factores mecánicos y
químicos debe combinarse para obtener un pozo estable hasta que se
pueda cementar la tubería de revestimiento. Independientemente de
las características químicas del lodo, el peso debe estar entre los
niveles adecuados para originar la estabilidad del pozo. Mantener la
estabilidad de los pozos es importante ya que a veces a medida que la
mecha penetra en la formación, se disminuye parte del soporte lateral
que ofrecen las paredes del pozo, haciendo necesario que el sostén
sea reemplazado por un fluido de perforación para evitar la caída de la
8
. Capítulo II. Fundamento Teórico
formación. La estabilidad idónea se obtiene cuando el pozo mantiene
su forma cilíndrica inicial. Al perder la estructura inicial, se produce el
ensanchamiento del pozo, lo que origina bajas velocidades anulares,
acumulación de recortes y una cementación débil. De allí, la
importancia de un programa efectivo de estabilización de pozos.
• Controlar las presiones de la formación
Generalmente, al aumentar la presión de la formación, se incrementa
la densidad del fluido agregando barita, para balancear las presiones y
lograr la estabilidad del pozo. La presión hidrostática es la presión
ejercida por la columna de fluido al estar estática, la cual depende de
la densidad del fluido y de la altura del pozo. Los fluidos de la
formación no se movilizarán dentro del pozo, al ser la presión
hidrostática igual o superior a la presión de la formación. El peso del
lodo debe estar entre el peso mínimo para controlar las presiones de
formación y el peso máximo para no fracturar la formación.
II. 1.3 Limitaciones de un fluido de perforación
• No debe ser perjudicial para el personal que trabaja con él y debe ser
inofensivo para el ambiente.
• No debe requerir de métodos caros e inusuales en la perforación del
hoyo.
9
. Capítulo II. Fundamento Teórico
• No debe causar corrosión o excesivo desgaste del equipo de
perforación
II. 1.4 Diseño de un fluido de perforación
El primer paso sería la selección del sistema de lodo más conveniente para
el problema del hoyo, dicho tipo puede ser sistemas base agua (fresca o
salada), aceite o aire/gas. El siguiente paso es especificar el rango de las
propiedades del lodo. El tercer paso, es la especificación de los nombres y
cantidades de los aditivos especiales y el último paso, es la realización de
pruebas para monitorear la estabilidad del pozo con el programa que se ha
recomendado con el lodo diseñado.
II.1.5 Clasificación de fluido de perforación, según su base de
preparación:
II.1.5.1 Lodos con base de agua
El agua es un elemento en abundancia en la naturaleza y una de sus
características es su agilidad para transportar sólidos. Es por ello, que se
utiliza como elemento base para la preparación de lodos de perforación. Se
pueden preparar con agua fresca o salmuera de buena calidad. El fluido de
perforación está compuesto por una solución de agua y sustancias
suspendidas como sales, surfactantes, partículas coloidales orgánicas,
barita, arcilla y pequeños cortes. También se puede encontrar lodos con 10
. Capítulo II. Fundamento Teórico base de agua preparados con pequeñas gotas de aceite dispersadas con un
emulsionante. Escoger el agua como base para fluidos de perforación tiene
como ventaja su bajo costo y su abundancia.
II.1.5.2 Lodos con base de gas
Existen dos clases de lodos con base de gas. Según el gas se encuentre en
la fase continua o discontinua, se pueden clasificar de manera distinta. Los
lodos con base de gas son aquellos en donde la fase continua es gas seco o
gotas de agua o lodo dispersas en el gas seco y aquellos entre los cuales el
gas es la fase discontinua se encuentran las espumas y las espumas
estables. Las espumas son burbujas de aire cubiertas por una película de
agua la cual contiene un surfactante para estabilizarlas. Las espumas rígidas
contienen una película fuerte realizada con materiales como polímeros
orgánicos y bentonita. Estos dos sistemas son usados para reducir el
gradiente de presión del fluido de perforación a una presión menor de la que
ejerce una columna de agua. Originalmente se utilizaban estos fluidos para
evitar la pérdida de agua y los daños de las formaciones naturales. En las
zonas de rocas duras, se obtuvo una velocidad de perforación más rápida al
utilizarlos.
II.1.5.3 Lodos con base de aceite
Han sido desarrollados para superar algunas características indeseables de
los lodos con base de agua. Las deficiencias del agua como base para fluido 11
. Capítulo II. Fundamento Teórico de perforación son: su excesivo poder disolvente de las sales, su
interferencia con la fluidez del aceite y del gas por los poros de la roca, su
característica para hinchar y dispersar las arcillas hidratables impidiendo que
el flujo circule al crear un bloque, y su efecto corrosivo sobre el hierro. Los
lodos con base de aceite ofrecen ventajas potenciales, al poseer mejores
cualidades de lubricación, mayores puntos de ebullición y menores puntos de
congelamiento y no tener propiedades disolvente de las sales. Debido a que
el costo de la preparación del lodo con base de aceite es mayor, la
justificación económica de elegir un lodo debe venir de su actuación en
condiciones particulares de uso.
El lodo con base de aceite puede ser preparado con aceite mineral o diesel
para su fase continua. Se utiliza cualquier aceite para que sea la fase líquida,
preferiblemente no tóxico. Dentro de los tipos de fluidos de perforación con
base de aceite se pueden encontrar: lodos de aceite en emulsión, lodos con
base de aceite en un 100% (No requieren agua para su elaboración) y lodos
de emulsión inversa. Los lodos con base de aceite en emulsión usualmente
contienen de un 3-5 % de agua en una fase continua de aceite, mientras los
lodos de emulsión inversa pueden contener menos del 50% de agua
emulsionada en aceite. Para generar la emulsión, se utiliza agua fresca o
salada.
12
. Capítulo II. Fundamento Teórico Actualmente los reglamentos ambientales han llevado a la selección de
fluidos sintéticos. Los ésteres, acetales, éteres, olefinas y otros solventes
sintéticos han sido utilizados para la preparación de lodos base sintético. Su
elevado costo de producción compensa el buen desempeño de la operación.
El elevado costo de las parafinas y olefinas, comparado con el diesel,
promueve el uso de los fluidos de emulsión inversa para reducir el costo por
barril del fluido de perforación. Además, los fluidos de emulsión inversa
requieren concentraciones bajas para alcanzar las propiedades reológicas
deseadas, debido a su propiedad intrínseca de formar emulsiones. (Quintero,
2002)
La aplicación de los sistemas con base de aceite comprende:
• Perforar estratos con problemas.
• Perforar hoyos profundos con altas temperaturas.
• Perforar zonas excesivamente saladas.
• Perforar formaciones con sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono
debido a la alta solubilidad del aceite con estos compuestos.
13
. Capítulo II. Fundamento Teórico II.1.5.3.1 Aditivos para los fluidos con base de aceite
• El aceite diesel o aceites minerales no tóxicos.
El aceite diesel originalmente era producido al someter al crudo al
proceso de destilación. Sin embargo, actualmente con el incremento
de la capacidad de conversión en los procesos de craqueo catalítico,
los aceites diesel comerciales son una mezcla de parafinas, naftenos y
aromáticos.
Los aceites minerales son un destilado del gasoil, el cual se refina con
el fin de disminuir el contenido de aromáticos, para convertirlo en un
compuesto menos tóxico y perjudicial al ambiente. Se utiliza como
fase continua en la mayoría de los lodos con base de aceite.
• Los viscosificadores.
Los viscosificadores son necesarios a pesar de que el agua
emulsionada aumente la viscosidad. Ellos aumentan la capacidad
para transportar y suspender los recortes y los materiales
densificantes. Para los fluidos de base en aceite, se utiliza una arcilla
(bentonita) tratada a través de sales de amonio para que el grupo
amonio sustituya a los cationes sódicos o cálcicos logrando una arcilla
dispersante en la fase oleosa (arcilla organófila). Si la arcilla no se
14
. Capítulo II. Fundamento Teórico
trata no puede ser usada como viscofisicador porque no se hidrata y
no aumenta la viscosidad en el aceite.
Es necesario que las aminas utilizadas sean térmicamente estables ya
que la arcilla se convierte en un sólido inerte sin esta cualidad. A
pesar que la arcilla organófila sea estable térmicamente es necesario
agregar un activador polar para que su rendimiento sea máximo como
la glicerina.
• Agente densificante:
La barita (sulfato de hierro) es el material más comúnmente utilizado
en esta aplicación, la cual se emplea para controlar la presión de los
fluidos y prevenir los reventones y los desmoronamientos de la
formación. También se utiliza carbonato de calcio en los fluidos de
baja densidad ya que es más fácil su suspensión que la barita o la
hematita.
• Controladores de filtrado:
El control de filtrado a altas temperaturas y presiones es afectado por
la viscosidad de la fase continua, la relación aceite a agua, la
estabilidad de la emulsión, la humectación de los sólidos, el contenido
de sólidos y la cantidad de arcilla tratada con amina en el sistema.
15
. Capítulo II. Fundamento Teórico
Muchos sistemas no requieren de estos aditivos al ser usados a
temperaturas inferiores de 300 °F. A temperaturas más altas es
recomendable el uso de un aditivo para el control del filtrado. La
gilsonita, el asfalto y el lignito tratado con aminas son los aditivos más
comunes para esta aplicación. El uso de uno o del otro radica en el
grado de contaminación que se produce.
• El emulsionante primario
La cal (óxido de calcio) se utiliza para producir un jabón de calcio que
genere una emulsión in situ. Además, se utiliza para neutralizar ácidos
orgánicos provenientes del lodo con base de aceite. La cal se utiliza
como ingrediente para combatir el dióxido de carbono y el sulfuro de
hidrógeno presente en las formaciones.
• El emulsionante secundario y el agente humectante:
Su aplicación se explicará en la sección II.4 de este capítulo.
• Reductores de la viscosidad:
Los sulfonatos son utilizados para reducir la viscosidad cuando se
haya utilizado una arcilla órgano fila como viscosificador primario.
Aparentemente, los sulfonatos reaccionan con las aminas tratadas de
la arcilla reduciendo su rendimiento.
16
. Capítulo II. Fundamento Teórico II.1.6 Reología
II.1.6.1 Definición
Consiste en el estudio del comportamiento de los fluidos al fluir. (Molina y
Hernàndez, 2001). Dicho comportamiento está relacionado con la viscosidad
del fluido y la magnitud de la velocidad cortante aplicada sobre él lo que
genera una tensión de corte.
II.1.6.2 Viscosidad
Término utilizado para definir la resistencia de un fluido a deformarse. (Molina
y Hernández, 2001). Esta resistencia es resultado de la atracción entre las
moléculas de los líquidos y es conocida como esfuerzo cortante; por lo tanto
a mayor resistencia, mayor viscosidad.
II.1.6.3 Régimen laminar y turbulento de un fluido
El comportamiento de un fluido se puede gobernar por los regimenes de los
fluidos, la relación entre velocidad y presión. Existen dos regimenes de
fluidos llamados laminar y turbulento. El régimen laminar prevalece a bajas
velocidades y es función del las propiedades viscosas. El régimen turbulento
es gobernado por las propiedades inerciales e indirectamente influenciado
por la viscosidad. El flujo en una tubería cambia de laminar a turbulento
cuando se excede un valor crítico. Las velocidades altas reflejan un régimen
turbulento. La disminución de dicha turbulencia se puede lograr por medio
del aumento del diámetro de la tubería, del aumento la densidad, y de la 17
. Capítulo II. Fundamento Teórico disminución de la viscosidad. Todas estas variaciones se pueden observar a
través del número de Reynolds. Para la mayoría de los lodos de perforación,
el valor crítico del número de Reynolds se encuentra entre 2000 y 3000, es
decir al tener números de Reynolds mayores de 3000 el régimen es
turbulento.
Cuando un fluido se encuentra en régimen laminar se puede representar su
comportamiento en forma de capas cilíndricas concéntricas con la pared de
la tubería, las partículas que se desplazan cerca de la tubería tienen mayor
velocidad, mientras que las partículas en contacto con la formación no tienen
velocidad por la fricción contra la pared. Una capa individual se mueve a la
misma velocidad; pero existen diferencias de velocidades entre las diferentes
capas generando un deslizamiento entre cada capa diferente. Cuando las
velocidades de movimiento son altas, las partículas tienden a moverse al
azar, saltando y rebotando, exhibiendo un comportamiento de régimen
turbulento.
II.1.6.4 Velocidad y tensión de corte
La velocidad de corte es la velocidad relativa con la que una capa se
desplaza en relación con la capa vecina; y la tensión o esfuerzo de corte es
la fuerza de resistencia que una capa o lámina opone al desplazamiento de
la otra. (Molina y Hernández, 2001).
18
. Capítulo II. Fundamento Teórico II.1.6.5 Fluidos newtonianos y no newtonianos
Los fluidos que no contienen partículas que sean más grandes que una
molécula se comportan como fluidos newtonianos, tales fluidos son el agua,
la glicerina y el aceite. Este tipo de fluido no refleja un cambio de viscosidad
ya que la relación entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte
permanece constante. Los fluidos que no cumplen con tal razón se
denominan fluidos no newtonianos.
Los fluidos no newtonianos pueden ser plásticos, pseudo plásticos y
dilatantes. Los fluidos plásticos requieren de un esfuerzo cortante inicial para
poder fluir (grasas, arcillas). Los fluidos pseudo plásticos tienen una
viscosidad que disminuye al aumentar la tasa de corte (resinas y pinturas).
Por último, los fluidos dilatantes aumentan su viscosidad al aumentar la tasa
de corte.
Las suspensiones que contienen partículas sólidas más grandes que una
molécula, son denominadas fluidos no newtonianos. Aquellos fluidos que
poseen un alto contenido de sólido se comportan conforme a la teoría de
Bingham de los fluidos plásticos, es decir, ellos requieren de un esfuerzo
cortante finito para iniciar la circulación. A esfuerzos cortantes mayores el
fluido plástico se comporta como los fluidos newtonianos. Entonces el
comportamiento de estos fluidos se puede describir por dos parámetros los
19
. Capítulo II. Fundamento Teórico cuales son el punto cedente y la viscosidad plástica según la teoría de
Bingham de los fluidos plásticos.
II.1.6.5.1 Ecuaciones que rigen su comportamiento
• Fluidos newtonianos:
τ = VP* W (1)
donde:
τ = esfuerzo cortante
VP = viscosidad plástica
W = velocidad de corte
• Fluidos no newtonianos plásticos:
τ = PC +VP* W (2)
donde:
τ = esfuerzo cortante
VP = viscosidad plástica
W = velocidad de corte
PC = Punto cedente
A continuación, se presenta un gráfico comparativo entre los fluidos
newtonianos y los fluidos no newtonianos (plásticos) en función del corte al
que se le somete para representar las ecuaciones anteriormente descritas.
20
. Capítulo II. Fundamento Teórico
Fluido plástico Punto cedente Fluido Newtoniano
Velocidad de corte
Gráfico 1. Gráfico comparativo entre los fluidos newtonianos y los fluidos plásticos no newtonianos en función de la velocidad de corte donde se visualiza el punto cedente. Fuente: (Lummus y Azar, 1986)
II.1.6.6 Comportamiento tixotrópico
La mayoría de los fluidos no newtonianos exhiben un comportamiento de
fluidez que depende del tiempo. Estos fluidos tienen una estructura interna
que se une en forma de gel cuando permanece en reposo. Cuando los
fluidos tixotrópicos son sometidos a razones cortantes constantes, su
estructura gel se rompe en un período corto. Al estar disipada la estructura
de gel, la ley de Bingham de fluidos plásticos puede aproximar el
comportamiento de circulación de dicho fluido.
21
. Capítulo II. Fundamento Teórico II.1.7 Propiedades físicas, químicas y reológicas de los fluidos de
perforación
Durante el proceso de perforación, el hoyo contiene un fluido de perforación,
el cual tiene las propiedades reológicas y la densidad equivalentes a las
determinadas por la composición de la formulación utilizada. Las
propiedades más importantes a medir son: Las propiedades reológicas, la
densidad, las propiedades de lubricidad y las pruebas de estabilidad del pozo
(Quintero, 2002). Las propiedades requeridas para fluidos de perforación se
encuentran descritas en API 13B. Las propiedades pueden diferir para cada
hoyo a ser perforado. Las propiedades descritas son:
II.1.7.1 Densidad
Es la razón de la masa por unidad de volumen. Para determinar la densidad
de una sustancia es necesario conocer tanto su volumen como su masa. La
densidad juega un papel fundamental ya que ella, en conjunto con la altura
de la columna, determina la presión hidrostática mantenida por el lodo para
controlar las presiones de la formación de tal forma que el hoyo permanezca
abierto. El lodo debe tener una presión igual o un poco mayor a la de la
formación para minimizar riesgos. Para obtener la densidad deseada, se
puede aumentar agregando sólidos de 1 a 50 micrones de tamaño ya sea de
sulfato de bario o carbonato de calcio. Para el lodo con base de aceite se
puede añadir el carbonato de calcio para incrementar la densidad. De esta
22
. Capítulo II. Fundamento Teórico forma se observa que la cantidad de sólidos en el lodo implica una relación
directa con la densidad.
II.7.2 Propiedades reológicas
Para el caso de lodos con base de aceite, las propiedades de viscosidad
plástica y punto cedente se ven afectadas positiva o negativamente por el
tamaño de la gota emulsionada en el aceite. Además, también influye en el
cambio la cantidad, tamaño, el contenido total de sólidos y las interacciones
electroquímicas y físicas entre los sólidos, agua y aceite.
II.1.7.2.1 Punto cedente
Este valor es una medida de la resistencia interna del fluido para comenzar el
movimiento o a fluir. Esta resistencia es creada por las fuerzas eléctricas que
mantienen a las partículas coloidales juntas. El grado de resistencia depende
de las propiedades superficiales de los sólidos del fluido, la concentración
volumétrica de los sólidos y el ambiente eléctrico de estos sólidos.
Esta propiedad generalmente evidencia las características de dilución por
esfuerzo de corte de un fluido, la pérdida originada por fricción al intentar
circular, la eficiencia del transporte de los cortes, la suspensión del material
densificante. Los valores extremistas de punto cedente no pueden suspender
el material densificante. Se aumenta el punto cedente al agregar un
23
. Capítulo II. Fundamento Teórico viscosificador y al originarse la floculación en el fluido. El punto cedente se
calcula (Alvaréz, 2002):
PC = L300 – VP (3)
VP = L600 - L300 (4)
donde:
VP = Viscosidad plástica (cP)
PC = Punto cedente (lb/100ft2)
L600= Lectura del viscosímetro a 600 rpm.
L300= Lectura del viscosímetro a 300 rpm.
II.1.7.2.2 Viscosidad plástica
Expresada en centipoise, representa la medida de la resistencia interna para
fluir por causa de la interacción de los sólidos y el fluido de perforación. Se
piensa que es un efecto mecánico producido por el número, tipo y tamaño de
la partícula en el fluido. A medida que aumenta el contenido de sólidos, la
fricción entre partículas aumenta y el efecto cortante necesita inducir una
unidad en exceso de esfuerzo de corte sobre el punto cedente del fluido para
poder fluir. Si los sólidos son menores que un micrón, el efecto cortante
requerirá ser mayor para inducir el movimiento, que si las partículas fueran
mayores a 1 micrón. Si los sólidos son reducidos por dispersión química
habrá un aumento en el efecto de corte y por consecuencia en la viscosidad
plástica. Generalmente un aumento de la viscosidad plástica resulta en un
24
. Capítulo II. Fundamento Teórico aumento en el porcentaje de sólidos; esto se puede verificar mediante los
cambios en densidad y análisis de retorta
La viscosidad plástica se ve afectada por la concentración de sólidos, el
tamaño y la forma de los sólidos, la viscosidad de la fase fluida y las
relaciones agua y aceite. Como regla general, la viscosidad plástica debe ser
mantenida al nivel más bajo posible en todos los casos porque una baja
viscosidad plástica puede aumentar la energía proporcionada a la barrena,
mejorar el flujo en el espacio anular para la limpieza del pozo y reducir el uso
y desgaste de los equipos así como el consumo de combustible. Un límite
superior práctico es el doble del peso del fluido (lb/gal). (Castro, 2002)
Las elevadas temperaturas y presiones afectan a la viscosidad de los fluidos
de emulsión inversa. La viscosidad del agua y del aceite decrece con el
incremento de la temperatura, pero las dos fases mencionadas se comportan
de manera diferente cuando hay un incremento de la presión. La viscosidad
del agua permanece constante mientras que la viscosidad del aceite se
comporta de diferente forma según sea el caso, por ejemplo: la viscosidad
del aceite diesel aumenta de forma rápida cuando la presión incrementa
(Lummus y Azar 1986).
25
. Capítulo II. Fundamento Teórico Si el contenido total de sólidos, el contenido de los sólidos perforados, el
punto cedente, la resistencia de gel se encuentran en los niveles adecuados,
la viscosidad plástica también estará en un nivel satisfactorio. (Gray, 1988)
II.1.7.2.3 Resistencia de gel
Las propiedades de la resistencia al gel están relacionadas con el punto de
cedente ya que las fuerzas eléctricas atractivas entre partículas influencian a
dichos valores. Su diferencia con el punto de cedente es que la resistencia
de gel depende del tiempo al medir las fuerzas de atracción estáticas,
mientras que el punto cedente mide las fuerzas de atracción dinámicas. Las
fuerzas estáticas débiles producen un gel que se rompa una vez que la
circulación del fluido es iniciado. Tratamientos para incrementar o disminuir la
resistencia de gel son los mismos que los usados para controlar el punto de
cedente.
Es necesario mantener los niveles de la resistencia de gel en un rango
favorable ya que si el valor es muy bajo, el fluido de perforación no podrá
suspender los cortes y otros ripios y requerirá de material densificante para
mantenerlo y si el valor es muy alto, la presión requerida para comenzar la
circulación del fluido puede fracturar una formación débil y producir un
reventón.
26
. Capítulo II. Fundamento Teórico Las fuerzas de gel están cualitativamente clasificadas en diversos tipos,
basado sobre el rango a los 10 s./10 min de formación y en la diferencia
entre estos rangos. Los geles frágiles son aquellos que poseen valores
extremadamente pequeños donde la formación del gel a los 10 s. y 10 min es
casi idéntica, por ejemplo, 1/1, 1/2, 2/3. Los geles favorables son aquellos
que poseen un valor bajo a los 10 s. de formación de gel y un valor mediano
a los 10 min. de formación, por ejemplo, 2/4, 3/6, 4/8. Los geles progresivos
tienen un valor bajo de formación de gel a los 10 s.y un valor alto a los 10
min., por ejemplo, 3/20,6/35,8/50. Los geles constantes poseen valores
intermedios a los 10 s. y valores elevados a los 10 min. de formación del gel,
por ejemplo, 13/15, 20/21, 30/32. La resistencia del gel se debe mantener en
el rango de geles favorables. (Lummus y Azar, 1986)
Gráfico 2. Generalización de los diferentes geles.
Fuente: Schlumberger, 2004
27
. Capítulo II. Fundamento Teórico II.1.7.3 Pérdida de fluido por filtración
La pérdida por filtración de fluido está relacionada con la velocidad de
penetración, formaciones pantanosas, daño en las formaciones sensibles de
agua y un diferencial pegajoso en zonas permeables. Desafortunadamente,
la tendencia general es especificar las pérdidas de los fluidos de perforación
por debajo de lo real, lo cual puede resultar un costoso y prolongado
programa de perforación por las bajas velocidades de penetración a utilizar.
Dos tipos de filtración ocurren en la operación de perforación: Filtración
estática y dinámica. La filtración dinámica ocurre mientras el lodo está
circulando. La pérdida estática de fluido se manifiesta al pasar fluido por un
medio filtrante (torta) dirigiéndose hacia dentro de la formación permeable.
La tasa de pérdida estática de fluido es gobernado por la ley de Darcy de
flujo de fluido por un medio poroso, la cual ha sido modificada para incluir los
efectos de filtración por la presencia de la torta. La ecuación modificada no
toma en cuenta la cantidad de filtrado perdido antes que la torta se forme.
La filtración dinámica variará de acuerdo al régimen del fluido. En
condiciones de fluido laminar, la construcción de la torta de filtrado puede
ocurrir similarmente como si estuviera en condiciones estáticas. Pero como
existe una continua erosión, la pérdida de fluido será mayor que en las
celdas estáticas de evaluación. En régimen turbulento, la torta de filtrado 28
. Capítulo II. Fundamento Teórico estará expuesta a mayores fuerzas erosivas, incrementando las pérdidas
dinámicas de fluido.
Numerosos factores afectan la pérdida de fluido, incluyendo temperatura,
tipo, cantidad y tamaño de los sólidos presentes, compresibilidad de la torta y
tiempo.
Temperaturas elevadas reducen la viscosidad de la fase fluida del fluido de
perforación, resultando en un aumento de la pérdida en el filtrado. También
temperaturas mayores a 175 °F disminuyen la efectividad de algunos
aditivos. Los fluidos con base de aceite y de emulsión inversa tienen
excelentes propiedades de pérdida de filtrado, hasta temperaturas superiores
de 400°F (Lummus y Azar,1986).
El tipo, cantidad y tamaño de los sólidos en los fluidos de perforación juegan
un papel importante en la producción de una torta de filtrado de poca
permeabilidad que sea compresible y firme. La distribución del tamaño de las
partículas, desde un submicrón hasta 10 micrones aproximadamente, es
esencial en la formación de un sello inicial en los poros más abiertos. Este
tipo de partícula llena los espacios entre los sólidos de mayor tamaño
depositados en la formación permeable. Los agentes de dispersión química
para disminuir la pérdida por filtrado producen partículas de tamaño
29
. Capítulo II. Fundamento Teórico alrededor de un submicrón. Sin embargo estas partículas tienen un efecto
de detrimento en la velocidad de penetración.
El grado de compresibilidad en la torta de filtrado formada por pérdida de
filtrado de un fluido de perforación es dependiente de la cantidad del
diferencial de presión, los cambios en permeabilidad y porosidad de la torta a
medida que la filtración continua, los sólidos adicionales acumulados en el
medio filtrante, y la característica de los sólidos que forman la torta filtrada.
Las tortas que son compresibles se deforman bajo efectos de presión, se
harán compactas si un diferencial de presión es suministrado, Esta
compactación causará reducción en la permeabilidad y en la porosidad y una
disminución de las pérdidas de fluido por medio de la torta. Tortas
incomprensibles experimentan pequeños cambios en la permeabilidad y
porosidad a medida que la presión diferencial es incrementada, como
resultado la pérdida de filtrado aumentará. Las características de los sólidos
en una torta de filtrado determina el grado de compresibilidad, la estructura
física y la rata de filtrado durante una tiempo determinado. Es necesario decir
que a valores específicos de pérdida de fluido para un particular hoyo se
añaden sólidos de tamaño coloidal con velocidad de penetración baja.
El control de las pérdidas de fluido a altas temperaturas y presiones de
sistemas con base de aceite normalmente no han sido un problema porque
los ingredientes usados en la formulación de dichos sistemas y la emulsión 30
. Capítulo II. Fundamento Teórico micelar generada por mezcla son efectivos en sellar aberturas
extremadamente pequeñas. Como se ha dicho anteriormente, los materiales
coloidales tienen un detrimento en el efecto de la velocidad de penetración.
La reducción del contenido de sólidos coloidales en los sistemas con base
de aceite resulta en un aumento de la velocidad de penetración. Sin
embargo, las bajas pérdidas de filtrado y las bajas velocidads de penetración
han sido un distintivo para los sistemas con base de aceite y los sistemas de
emulsión inversa también han recibido una atención entusiasta por estos
motivos.
Las pérdidas de fluido a bajas presiones deben estar cercanas a cero. Las
perdidas de fluido a altas presiones y temperaturas de los fluidos 100%
aceite y sistemas de emulsión inversa puede variar de cero a 15 ml. durante
30 min.. Los aceites relajados pueden tener pérdidas mayores a 40 ml. o
más. Para sistemas de emulsión inversa, la pérdida de fluido se controla con
arcilla organófila, aminas tratadas y pequeñas cantidades de material
asfáltico. (Lummus y Azar, 1986)
II.1.7.4 Sólidos
Sólidos finos entran al sistema con base de aceite durante el proceso de
perforación e incrementan la viscosidad por tres medios: la arcilla
organofílica, aumento del contenido del agua que forma micelas coloidales y
sólidos perforados. Los dos primeros grupos pueden ser controlados, 31
. Capítulo II. Fundamento Teórico excepto en el caso de que entre agua contaminada al sistema. Los sólidos
perforados causan el mayor problema.
A pesar de tener un sistema controlado, los sólidos perforados aumentarán
en el sistema. Los sólidos no se hidratan en un sistema con base de aceite.
Pero lo que si se sabe es que los sistemas base agua y aceite ofrecen la
misma resistencia hacia los sólidos inertes. A pesar de que no sean
hidratados porque se está en presencia de un sistema con base de aceite,
son constantemente reducidos a tamaño coloidal por efecto de corte
mecánico. Una vez alcanzado el tamaño coloidal no pueden ser removidos
por equipos de separación mecánica. El único tratamiento para evitar un
aumento en la viscosidad es diluir con más aceite si se escogió un sistema
con base de aceite, lo que implica un mayor costo operativo.
Un problema de separación de los sólidos es causado por sólidos
hidratables. Si los sólidos perforados o las arcillas comerciales en un sistema
con base de aceite no son tratados con un agente humectante para producir
un estado de humectación oleoso los sólidos flocularán. Lo que sucede es
que las partículas hidratables en agua atraen más partículas de agua que
promueven la coalescencia. Estas partículas pueden ser reconocidas por una
plana, granulada y opaca apariencia. Otra indicación de sólidos hidratables
puede ser un aumento en el punto de cedente unido con una baja resistencia
32
. Capítulo II. Fundamento Teórico o esfuerzo al gel lo que se soluciona colocando material densificante y
aumentando la presión de la bomba.
II.1.7.5 pH
El control óptimo de algunos sistemas está basado en valores de pH para la
detección y tratamiento de algunos contaminantes. Otra razón para mantener
el control del pH es ver el comportamiento de los lodos tratados con cal, las
mitigaciones de la corrosión y el empleo adecuado de los diluyentes. Los
lodos tratados con cal también se les mide la alcalinidad para determinar por
medio de titulación su cantidad contenida en el sistema.
II.1.7.6 Conductividad
Un lodo que posea como fase continua un aceite no permitirá el paso de
corriente eléctrica a bajo voltaje. Al aumentar el potencial eléctrico, se puede
establecer una corriente eléctrica. El potencial eléctrico necesario depende
del material conductor y de su contenido en la fase dispersa del aceite. La
estabilidad eléctrica proporciona una indicación de la estabilidad de la
emulsión de agua en aceite en sistemas con base de aceite. El voltaje
aplicado se observa como una medida de estabilidad de la emulsión ya que a
mayor voltaje, mayor estabilidad. El potencial eléctrico que se utiliza como
indicación de la estabilidad es aquel que logra romper la emulsión. En los
fluidos recién elaborados, la estabilidad de la emulsión aumenta cuando se
aumenta el esfuerzo de corte y la temperatura. El tamaño de las gotas de 33
. Capítulo II. Fundamento Teórico agua y la concentración del emulsionante rigen la estabilidad. Un elevado
contenido de agua reduce la estabilidad eléctrica porque las distancias entre
las gotas disminuyen. Este aspecto también refleja que el agente
densificante y el resto de los sólidos se encuentran adecuadamente
humectados por el aceite.
34
. Capítulo II. Fundamento Teórico II.2 Surfactante
II.2.1 Definición
Es un compuesto orgánico, el cual posee una estructura molecular formada
por dos grupos de afinidades diferentes. La parte hidrófoba es soluble en
solventes apolares; generalmente consiste en cadenas de hidrocarburos
provenientes de grasas animales o vegetales o de residuos de la refinación
del aceite vegetal o de la destilación del petróleo. La parte hidrófila es soluble
en solventes polares como el agua. Los surfactantes disminuyen la tensión
superficial del agua, a pesar de añadir una pequeña cantidad al agua.
Los surfactantes son materiales que interactúan con la superficie o interfase
(gas-líquida, gas- sólida, líquida-líquida, sólida-líquida, sólidad-sólida) para
cambiar la naturaleza de las propiedades de la superficie o interfase.
Los surfactantes son importantes constituyentes de los fluidos en con base
de aceite como emulsionantes, agentes humectantes y estabilizadores. Su
aplicación en el proceso de perforación se extiende ya que existe la
interacción de superficies diferentes y son necesarios para realizar la
perforación y mejorar la productividad.
El tipo de fluido de perforación a ser formulado puede cambiar el foco sobre
las propiedades requeridas y sobre el surfactante que modifica esas 35
. Capítulo II. Fundamento Teórico propiedades. En el caso de aceites con base de aceite, el esfuerzo más
elevado es identificar un surfactante que genere emulsiones estables (W/O)
sin modificar la naturaleza hidratable de la formación natural de producción.
Para emulsiones inversas se requiere surfactantes para emulsionar y
agentes humectante para sólidos. La mayoría de los emulsionantes utilizados
para emulsiones inversas son las imidazolinas y las alquilamidas basados en
una variedad de materia prima (ácido grasos y aminas). (Quintero, 2002)
II.2.2 Clasificación de los surfactantes según su disociación en el agua:
• Aniónicos: se disocian en una larga cadena aniónica y un simple
catión inorgánico, como los carboxilatos, sulfonatos, sulfatos y
fosfatos.
• Catiónicos: se disocian en una larga cadena catiónica y un simple
anión inorgánico. Las aminas, los amonios cuaternarios, las
amidoaminas, las imidazolinas y otros grupos nitrogenados
pertenecen a esta clasificación. (Ver sección II.2.3 Surfactantes
Catiónicos.)
36
. Capítulo II. Fundamento Teórico
• No iónicos: Son aquellos que no se disocian, como las largas cadenas
de polímeros
• Anfotéricos: cuyo comportamiento depende del ph del medio porque
poseen ambos caracteres, el aniónico y el catiónico. Como los
aminoácidos y las betaínas.
II.2.3 Surfactantes catiónicos
Como anteriormente se mencionó, los surfactantes catiónicos se disocian en
el agua en una larga cadena catiónica y un simple anión inorgánico. Los
surfactantes catiónicos de cadena lineal más utilizados son las aminas
grasas, sus sales y sus derivados cuaternarios. En realidad, las aminas no
son de naturaleza catiónica, pero si son de naturaleza no iónica. Sin
embargo, se encuentran en la clasificación de surfactantes catiónicos porque
tienen la capacidad de protonarse en medio ácido y exhibir propiedades
catiónicas mientras que las sales de amonios cuaternarios exhiben
permanentemente la carga positiva.
II.2.3.1 Nomenclatura de aminas y amonios no cuaternarios
Dependiendo si el átomo de nitrógeno está unido a 1, 2 o 3 grupos alquilo se
tiene amina primaria, secundaria o terciaria respectivamente. Si el átomo de
37
. Capítulo II. Fundamento Teórico nitrógeno posee 4 enlaces se tiene un amonio y si estos cuatro enlaces son
con átomos de carbono se tiene un amonio cuaternario. (Ver Figura 1)
En el amonio, el átomo de nitrógeno cede dos electrones para asegurar el
cuarto enlace y queda cargado positivamente. El ión alquil amonio se
produce en un medio ácido por reacción de un protón sobre una amina. La
alquil amina no es soluble en el agua mientras que la sal si lo es, por la
solvatación del catión. (Salager, 1990).
R3 R3
R-NH2 R1-NH-R2 R1-N-R2 RNH3+ R1-N+-R2
R4 Amina Amina Amina Alquil-amonio Amonio Primaria Secundaria Terciaria Cuaternario R2 R2 R1-N+-HX- R1-N+-Y-
R3 R3 Sal de amina Compuesto anfótero Figura 1. Aminas y amonios no cíclicos. (Salager, 1990) y (Jungerman, 1970)
II.2.3.2 Usos de los surfactantes catiónicos
Los surfactantes catiónicos representan un 4% de la producción total de
surfactantes. (Salger, 1990). Sin embargo, ellos son extremadamente útiles
por sus propiedades particulares.
38
. Capítulo II. Fundamento Teórico Ellos no son ni buenos detergentes, ni buenos agentes espumantes y no se
pueden utilizar en formulaciones que contienen surfactantes aniónicos, con
exepción de los surfactantes nitrogenados no cuaternizados (Salager y
Antón, 1990). La mayoría de los surfactantes de naturaleza catiónica
eliminan e inhiben el crecimiento de microorganismos. La mayoría modifican
la superficie. De un lado su carga positiva les permite adsorberse muy
fácilmente sobre sustratos cargados negativamente como son la mayoría de
los sustratos naturales. Esta propiedad los hace agentes suavizadores,
fijadores de color, o repelentes del agua. También son muy útiles como
inhibidores de corrosión y agentes de lubricación. La carga positiva que ellos
confieren los hace buenos dispersantes de partículas sólidas.
II.2.4 Materia prima para surfactantes: Aceites y Grasas Naturales.
La gran mayoría de los aceites y grasas naturales animales y vegetales
utilizadas para la fabricación de surfactantes son triglicéridos, es decir
triésteres del glicerol (glicerina o propanotriol) y ácidos grasos. Cuando los
triglicéridos son sólidos a temperatura ambiente se les denomina grasa y
cuando son líquidos se les denomina aceites. Generalmente, la reacción de
hidrólisis permite separar el poli alcohol de los ácidos grasos.
La gran mayoría de los triglicéridos naturales contienen los cinco ácidos
grasos más comunes en proporciones diversas: ácido graso palmítico
39
. Capítulo II. Fundamento Teórico (C16:0) y los cuatros ácidos que poseen 18 carbonos (C18), los cuales son:
el ácido graso esteárico, linoleico, linolenico y oleico.
La nomenclatura anterior consiste en colocar después de la letra C, el
número de átomos de carbono del ácido seguido de dos puntos, seguido del
número de dobles enlaces. (Ver Tabla 1).
Los ácidos grasos comprendidos entre C12-C18 poseen una gran relevancia
como materia prima en la industria de jabones y surfactantes. Para cumplir la
función de surfactantes, el grupo lipofílico necesita una cadena
hidrocarbonada que posea entre 12 y 18 átomos de carbono. (Salager y
Anton, 1990). Entre ellos se tienen el ácido graso palmítico (C16:0) que se
encuentra en el aceite de palma y el ácido graso oleico (C18:1) que se
encuentra en su mayoría en los aceites vegetales y grasa animales. En la
tabla 1 se muestra los porcentajes de las diferentes variedades de ácidos
grasos en los aceites y grasas naturales. Dichos porcentajes varían un poco
dependiendo de la región de donde procedan. Además, la composición
también varía de año en año.
El punto de fusión también es clave para la escogencia de los ácidos grasos
como materia prima para el surfactante a preparar ya que los aceites
saturados son sólidos a temperaturas mayores mientras que los insaturados
son sólidos a temperaturas bajas (Ver Tabla 1). 40
. Capítulo II. Fundamento Teórico
Tabla1
Composición (%) en ácidos grasos de ciertos aceites vegetales
ÁCIDO SIMBOLO MANI SOYA OLIVA MAÍZ PALMA PUNTO DE
FUSIÓN ( °C)
Caprílico C08:0 - - - - - Caprico C10:0 - - - - - Láurico C12:0 - - - - 44 Mirístico C14:0 - - - - 01 59 Palmítico C16:0 11 11 14 12 46 64 Esteárico C18:0 03 04 03 02 04 70
Oleíco C18:1 46 25 68 27 38 4 Linoléico C18:2 31 59 13 57 10 -5 Linolénico C18:3 02 08 - 01 - -11 Fuentes: Salager y Antón (1990) y Wade (1993)
41
. Capítulo II. Fundamento Teórico II.3 Amidoamina
II.3.1 Definición
Los surfactantes amidoaminas son sustancias que contienen un grupo o
varios grupos funcionales amido (-CONH-R) así como también uno o más
grupos funcionales amino (–NH2). Las amidoaminas son surfactantes
nitrogenados que poseen un grupo hidrofílico.
II.3.2 Compuestos base para la formación de amidoaminas
Para formar la amidoamina, se construye generalmente el enlace amido. Una
poliamina reacciona con un ácido carboxílico (Ver Figura 2) o éster y libera
agua o alcohol respectivamente:
R-CO2H + H2N …… N R’2 R – CO - NH …..NR’2 + H2O
Figura 2. Reacción entre un ácido carboxílico y una poliamina. (Richmond, 1990)
El enlace amido, en conjunto con el residuo de la poliamina forma la parte
hidrófila de la molécula del surfactante. La cadena de carbonos perteneciente
al ácido carboxílico construye la estructura hidrófoba de la molécula del
surfactante. (Richmond, 1990).
III.3.2.1 Variaciones en la porción de ácido
La porción de ácido carboxílico puede ser tan pequeña como la cadena corta
de ácido fórmico o acético. Sin embargo, el ácido debe poseer entre 8 a 36 42
. Capítulo II. Fundamento Teórico carbonos para poseer las propiedades deseadas del surfactante. Se pueden
usar ácidos, esteres o triglicéridos según el número de carbono que posea
para la aplicación deseada.
III.3.2.2 Variaciones en el grupo funcional amino.
Las diaminas y poliaminas ofrecen la más grande variación en estructura y
en los resultados de las propiedades. Numerosas poliaminas son posibles,
pero se limitará el tema a los tipos de aminas comercialmente disponibles. En
general, las poliaminas deben contener una o más aminas primarias para
permitir una velocidad de reacción razonable con el ácido o la función éster.
Las aminas secundarias se pueden usar pero reaccionan con dificultad.
El grupo más común de poliamina usado para la formación de amidoaminas
puede clasificarse como el grupo DETA. La dietilentriamina (DETA) se
prepara en volúmenes grandes por dos procesos: Reacción de amonio con
dicloruro de etileno o la reacción de amonio con etanolamina por catálisis.
Ambos procesos producen una mezcla de productos que son luego
separados, purificados y comercializados a varias industrias.
II.3.3 Preparación y estructura final
Como se explicó anteriormente amidoaminas son preparadas a partir de
ácidos, ésteres o anhídridos con una poliamina apropiada. El primer paso es
la formación de la sal de amina (Ver Figura 3) 43
. Capítulo II. Fundamento Teórico
R-CO2H + R’ –NH2 RCO2- + H3N-R’ R-CO-NH-R’ + H2O
Figura 3. Formación de la sal de amina. (Richmond, 1990)
Este paso es muy exotérmico y la sal puede resultar muy viscosa, la cual
impide la agitación y la disipación del calor. El sistema puede gelificarse
hasta que la temperatura sea lo suficientemente alta para disminuir la
viscosidad y comenzar la descomposición de la sal a amida más agua. La
temperatura usual es entre 120°C y 220°C para eliminar el agua.
Para hacer reaccionar a los reactantes, se puede añadir la poliamina al
ácido, el ácido a la poliamina o simultáneamente se pueden cargar los dos al
reactor. La primera forma es la más común; pero puede añadirse la cantidad
apropiada de ácido al reactor y calentarla hasta 80 °C para que la mayoría de
los ácidos sólidos puedan fundirse y la masa de la reacción sea más fácil de
trabajar. El calentamiento continuo más la naturaleza exotérmica de la
reacción, eleva la temperatura a los niveles deseados. Dichos niveles se
encuentran entre 150 y 180 °C, los cuales dan un rango aceptable para una
rápida velocidad de reacción. Con el uso de DETA y temperaturas superiores
a 200°C se causa formación de imidazolinas (Ver Figura 4), lo cual puede ser
indeseable o deseable según sea la aplicación.
44
. Capítulo II. Fundamento Teórico
N R-CO-NH-CH2-CH2-NH2 R + H2O N H
Figura 4. Formación de imidazolina a partir de DETA. (Richmond, 1990).
Sin embargo, se observa que cuando se emplean los reactivos en una
proporción de 1:1 (Acido graso a DETA) son posible varios productos. Entre
ellos se tiene: Monoamida en la amina primaria, monoamida en la amina
secundaria, 1,3 diamida, 1,2 diamida, triamida monoalquilimidazolina.
Algunos de estos productos existirán pero el producto básicamente es 1-
monoamida, 1,3 diamida y DETA sin reaccionar. Las posibilidades de
conseguir imidazolina en el producto final existe. Pero debido a su hidrólisis,
se interrumpen las predicciones.
II.3.5 Propiedades físicas y químicas
En general, materiales que contienen un enlace amido poseen elevados
puntos de fusión superiores a 100 °C. Obtener las propiedades físicas de las
amidoaminas es difícil debido a que se tvelocidad de una mezcla de
componentes. (Richmond, 1990)
45
. Capítulo II. Fundamento Teórico II.3.4 Representación de la reacción ( Linfield y Warner, 1984)
RCO2H Ácido Graso
HN (CH2CH2NH2)2DETA
RCO2H + HN (CH2CH2NH2)2
130°C
RCO2H + RCONH CH2CH2NH-CH2-CH2NH2
DIAMIDOAMINA
150°C 6 hr
RCONHCH2CH2NH CH2CH2NHCOR
150°C Suministrar vacío 1hr
IMIDAZOLINA
R-C=N-CH2CH2-N-CH2CH2NHCOR + 3H2O
Figura 5. Representación de la síntesis de la imidazolina por Warner y Linfield
46
. Capítulo II. Fundamento Teórico II.3.5.1 Propiedades físicas y químicas de las aminas
Las aminas primarias y secundarias tienen enlaces N-H, que les permiten
formar puentes de hidrógeno. Las aminas terciarias no pueden formar este
tipo de enlace porque no tienen enlaces N-H. Sin embargo pueden aceptar
puentes de hidrógeno con moléculas que tengan enlaces O-H o N-H. Todas
las aminas, aún terciarias forman puentes de hidrógeno con solventes
hidroxílicos como el agua y los alcoholes. Por lo tanto, las aminas tienden a
ser muy solubles en los alcoholes y las aminas de menor peso molecular
(hasta con 6 carbonos) son relativamente solubles en agua. Quizá la
propiedad más obvia de las aminas es su olor característico de pescado
descompuesto. (Wade, 1993)
Una amina es un nucleófilo (base de Lewis) debido a su par de electrones no
enlazados, que puede formar enlace con un electrófilo. Una amina puede
funcionar como base de Bronsted-Lowry aceptando el protón de un ácido.
Como las aminas son bases fuertes, sus soluciones acuosas son básicas.
Una amina puede sustraer un protón del agua, produciendo un ión amonio y
un ión hidroxilo.
II.3.5.2 Propiedades físicas y químicas de las amidas
Las amidas primarias y secundarias tienen enlaces N-H que participan en
puentes de hidrógeno, lo cual ocasiona mayores puntos de ebullición para
las amidas secundarias que para las amidas terciarias (sin enlace N-H) y aun 47
. Capítulo II. Fundamento Teórico mayores para las amidas primarias. La fuerte atracción entre las moléculas
de amidas primarias y secundarias debido a puentes de hidrógeno también
ocasiona puntos de fusión inesperadamente altos. Las amidas son solubles
en los solventes orgánicos. (Wade, 1993)
La estructura de la amida muestra un par de electrones no enlazantes en el
átomo de nitrógeno. Sin embargo a diferencia de las aminas, las amidas son
débilmente ácidas y se considera que el grupo funcional es neutro. Se
necesita un ácido fuerte para protonar una amida y la protonación se efectúa
en el átomo de oxígeno del carbonilo y no en el nitrógeno. (Wade, 1993)
II.3.6 Derivados de las amidoaminas
Las amidoaminas pueden cuaternizarse para obtener sales de amonios
cuaternarios que son importantes surfactantes. Las aminas restantes de la
DETA que no hayan reaccionado se pueden cuaternizar con dimetil sulfato,
ácido fumárico, ácido acrílico, cloruro de benceno o cloruro de metilo.
(Richmond, 1990)
II.3.7 Aplicaciones en fluidos de perforación
Las amidoaminas se utilizan en los lodos de perforación y en los aditivos
para fluidos. Dependiendo de la situación, las amidoaminas pueden ser
usadas como emulsionantes de agua, agentes de suspensión de sólidos,
inhibidores de corrosión y modificadores de la viscosidad. Las imidazolinas y 48
. Capítulo II. Fundamento Teórico sus sales son mencionadas para obtener tales propiedades. Por ejemplo, los
ácidos grasos del coco se hacen reaccionar con TETA (Un tipo de
poliamina). Dicho producto se convierte en una imidazolina, luego se
neutraliza con una mezcla de ácido acético. La sal obtenida ayuda a remover
los sólidos perforados con sólo una concentración de 250 ppm. No se sabe si
este producto se hidroliza durante su uso en el hoyo.
II.3.8Método analítico para la identificación por rayos infrarrojos
La mejor descripción es la de Koeber y Hein, quienes muestran en infrarrojo
trazas del progreso de la ciclización. La absorción del anillo de la imidazolina
es 1620 cm-1 mientras los enlaces amidos son localizados en 1665 cm-1.
(Richmond, 1990)
II.3.9 Ecología de los amonios cuaternarios
Los efectos de los amonios cuaternarios sobre el ambiente han sido
estudiados. Al reaccionar los surfactantes catiónicos con los surfactantes
aniónicos en los desechos de agua, se vuelven inocuos. Estos se concentran
en el fondo de los lagos y ríos, son absorbidos por el lodo activado y pueden
ser degradados biológicamente. Los enlaces del amonio cuaternario son
accesibles para los microorganismos que ejercen el proceso de degradación.
49
. Capítulo II. Fundamento Teórico II.3.10 Imidazolinas
Las imidazolinas se usan como aditivos en los lodos de perforación. Las
imidazolinas son una familia de compuestos basados en cinco elementos los
cuales forman una estructura cíclica insaturada. Dos de los elementos del
anillo son nitrógenos. Las imidazolinas comercialmente útiles son producidas
a partir de las poliaminas tales como: dietilentriamina (DETA), etilendiamina
(EDA), o trietilentetramina (TETA) y largas cadenas de ácidos grasos o sus
metilésteres.
II.3.10.1 Obtención de la imidazolina cuaternizada
Se obtiene cuando las materias primas anteriormente nombradas, se
deshidratan para dejar los cinco miembros del sistema cíclico. Son producto
de la remoción de agua, el producto formado está sujeto a una nueva
deshidratación de la cadena de la especie abierta. Aunque la fabricación de
este material es fácil, el producto no es fácil para almacenar o utilizar sin
hidrolizar. Esta inestabilidad de la imidazolina condujo a los productores a la
fabricación de derivados de la imidazolina. Usualmente, estos derivados son
obtenidos por la cuaternización del átomo de nitrógeno terciario, y por medio
de compuestos tales como dimetilsulfato, dietilsulfato o cloro acetato de
sodio. Estos compuestos derivados de la imidazolina son frecuentemente
llamados imidazolina.
50
. Capítulo II. Fundamento Teórico La cuaternización del tercer nitrógeno y no del primero se debe a que la
tercera posición es más favorecida cinéticamente por el impedimento estérico
del primer nitrógeno proporcionándole al producto estabilidad al momento de
deslocalizar la carga. (Takano y Tsuji, 1983) (Ver Figura 6).
II.3.10.2 Métodos de preparación
II.3.10.2.1 Obtención de la imidazolina inestable
Al utilizar 1 mol de DETA y dos moles de ácido graso a 90 ° C, se forma un
jabón amino graso. Este producto es deshidratado a una diamdoamina grasa
a 150 °C por un período de 4 a 6 horas. Al aplicar vacío por un período de 1
hora a 150 °C, se forma el ciclo de la imidazolina. (Linfield y Warner, 1984)
II.3.10.2.2 Obtención de los derivados estables de la imidazolina
La imidazolina preparada anteriormente con DETA se hace reaccionar en
alcohol isopropílico con una cantidad equimolar de dimetilsulfato entre 55 y
60 °C, agitándola alrededor de 1 hora. El pH es ajustado a 7 con NaOCH3. El
producto final después de los ajuste, contiene sólo 2% de amina sin
reaccionar e hidrometilsulfato amina. (Richmond, 1990)
Similarmente, Takano y Tsuji llevaron a cabo la reacción entre la
hidroxietilalquil imidazolina, el dimetilsulfato y un 20% de isopropanol a una
temperatura de 80°C. El dimetil sulfato se añadió durante los primeros quince
minutos y se agitó durante 4 horas. (Richmond, 1990) 51
. Capítulo II. Fundamento Teórico
Figura 6. Imidazolinas cuaternizadas al no aplicar el impedimento estérico (A) y al aplicar el impediemto estérico (B).
A 3 4 N CH2 2 R C (X)-
N + CH2 5 1 R2 CH2CH2NHCOR
3 4 N CH2 2 R C (X)-
N + CH2 5
B 3 R2 4 N CH2 2 R C + (X)-
N CH2 5 1 CH2CH2NHCOR
52
. Capítulo II. Fundamento Teórico II. 4 Emulsionante y Agente Humectante
II.4.1 Definiciones
El emulsionante y el agente humectante son surfactantes. El emulsionante
tiene la función de facilitar la formación de una emulsión entre dos fases
líquidas inmiscibles y estabilizarla. (Salager y Anton, 1990). Mientras que el
agente humectante facilita la formación de una suspensión formada por dos
fases: una fase sólida y la otra líquida.
II.4.2 Definición de emulsión:
Una emulsión puede ser definida como la dispersión de un líquido (fase
interna), en otro líquido (fase externa o continua). Los dos líquidos son
inmiscibles, pero la fase interna está dispersa en la fase continua en forma
de gotas. Si las gotas de agua están dispersas en aceite, se forma una
emulsión de agua en aceite. Si las gotas de aceite están dispersas en agua,
se forma una emulsión de aceite en agua.
II.4.2 Comportamiento de los emulsionantes
La tensión interfacial entre el aceite y el agua es muy alta, si estos líquidos
se mezclan entre ellos mecánicamente, entonces se separarán al momento
que la agitación cese para minimizar el área interfacial entre ellos. El uso de
un emulsionante permite disminuir la tensión superficial para formar una
emulsión estable, compuesta de finas gotas de la fase dispersa en la
continua. A medida que la tensión interfacial disminuye, el tamaño de la gota 53
. Capítulo II. Fundamento Teórico disminuye y se genera una emulsión más estable. El emulsionante forma una
capa alrededor de la fase dispersa que actúa como una barrera física
previniendo que las gotas coalescan. El tamaño de las gotas, el desarrollo de
una viscosidad deseada, las propiedades de la fuerza gel y el control de
filtrado son claves para lograr la estabilidad de la emulsión. Estas gotas, se
reducen a un tamaño mínimo e uniforme por cortes mecánicos y al
estabilizarlas con un emulsionante, su tamaño es muy similar al tamaño
coloidal, lo cuál le provee fuerza a la estructura para remover los cortes del
hoyo, soportar el material densificante, reducir el filtrado al quedar atrapadas
en el revoque y suspender el material pesado cuando está en estado de
reposo.
Cuando se aumenta el contenido de agua (fase dispersa) de la emulsión
(Castro, 2002):
• El tamaño de las gotas de agua aumenta
• La posibilidad de coalescencia de las gotas aumenta
• La viscosidad plástica aumenta
• Se requiere de una mayor cantidad de emulsificante para lograr una
emulsión estable.
Cuando se aumenta el contenido de aceite (fase continua) (Castro, 2002):
• La emulsión se estabiliza
54
. Capítulo II. Fundamento Teórico
• La viscosidad disminuye
Los principales emulsionantes suministrados por las compañías para
preparar sistemas en con base de aceite están basados en jabones de calcio
formados in situ al hacer reaccionar ácidos orgánicos de alto peso molecular
con hidróxido de calcio (lima). Esto se realiza para producir emulsiones
estables y valores deseados de viscosidad y de gel, ya que los cationes
divalentes de calcio forman preferiblemente una emulsión de agua en aceite.
Mientras que los cationes monovalentes forman preferiblemente una
emulsión de aceite en agua. (Lummus y Azar, 1986).
Otros emulsionantes, generalmente marcados como suplementarios al jabón
basado de calcio, son las aminas derivadas de ácidos grasos. Estos
productos son fácilmente mezclados y son comúnmente utilizados para
emulsionar el agua libre que no se ha amarrado al primer emulsionante. La
temperatura de las emulsiones con base de aceite pueden variar, pero
generalmente la combinación del jabón de calcio y los derivados de amina
proporcionarán emulsiones estables a una temperatura igual a 450 °F o
superior a ella. (Lummus y Azar, 1986)
II.4.3 Criterio de estabilidad de las emulsiones
La estabilidad de la emulsión incrementa cuando se aumenta la viscosidad
de la fase continua porque el número de colisiones entre las gotas
disminuye. También, la estabilidad disminuye con un incremento en la 55
. Capítulo II. Fundamento Teórico temperatura porque el número de colisiones aumenta. La idea de estabilidad
es por supuesto relativa, pero se refiere a una casi ausencia de cambio
durante un período de tiempo suficientemente largo para el propósito de la
aplicación práctica, lo cual puede variar de algunos minutos a algunos años.
Los tres criterios básicos para la preparación de una emulsión estable son: la
aplicación de suficiente corte mecánico o fuerza para reducir las gotas de
agua hasta un tamaño uniforme; la cantidad de agente emulsionante, este
debe ser suficiente como para aislar las gotas de agua y prevenir su
coalescencia, una baja densidad en la fase continua (aceite) y la rápida
movilidad del emulsionante en llegar a la interfase entre las dos fases, lo cual
depende de la viscosidad de la fase continua.
II.4.5 Comportamiento de los agentes humectantes
En sistemas con base de aceite, es necesario humectar las superficies de los
sólidos suspendidos con una película de aceite para que no se unan y
rompan la suspensión. Los derivados de amina de ácidos grasos, descrito
como emulsionantes suplementarios en la sección de comportamiento de los
emulsionantes son de igual forma agentes humectantes efectivos. El agente
humectante posee una cadena no polar y un catión. La cadena no polar se
disuelve en la fase oleosa y el nitrógeno cargado (catión) se extiende hasta
el agua, impartiéndole una carga positiva a la gota de aceite. Como la
56
. Capítulo II. Fundamento Teórico mayoría de los minerales poseen una carga negativa, las gotas de aceite son
atraídas por la superficie, donde se rompen formando una capa.
Es de suma importancia recordar que la mayoría de los minerales naturales
son hidratables en agua. Esta aclaratoria incluye a la barita, la cual se utiliza
en sistemas con base de aceite para aumentar la densidad de ellos. La barita
es susceptible a aglomerarse si existe agua no emulsionada y si las
partículas de barita no han sido adecuadamente cubiertas por una capa
oleosa. Las baritas hidratables en sistemas de base en aceite pueden traer
un aumento en la viscosidad y producir una emulsión inestable.
Deficiencia en la humectación puede corregirse añadiendo un surfactante
soluble en aceite, como una sal de un ácido graso y una poliamina.
Un balance entre la acción de emulsión y humectación, es necesario ya que
una acción emulsionante fuerte produce que el aceite no humecte, una fuerte
acción de humectación hace que se pierda el aceite. La fuerza relativa entre
las dos fuerzas depende de varias condiciones como el ph, la superficie a la
que se adhiere, condiciones electroquímicas de la fase acuosa, temperatura
y otras.
57
. Capítulo III Parte Experimental De acuerdo a los objetivos del presente trabajo, se realizó un montaje
experimental a nivel de laboratorio. Dicho montaje se utilizó para llevar a
cabo la obtención de 3 aditivos para actuar como agentes emulsionantes
secundarios y humectantes. Los aditivos fueron preparados siguiendo los
procedimientos expuestos en la Sección III.1.3. El montaje fue elaborado en
el Laboratorio de Investigación de la Universidad Metropolitana. Luego, se
formularon los lodos de emulsión inversa en el Laboratorio El Samán
(Tecnología Integral del Petróleo). Las pruebas fueron realizadas en dicho
laboratorio de acuerdo a los procedimientos descritos (Sección III.2.2) y
además, los aditivos fueron enviados al Laboratorio San Antonio Pride,
donde ellos realizaron las mismas pruebas y suministraron sus resultados.
La parte experimental se divide en dos etapas. La etapa inicial describe los
equipos y procedimientos realizados durante la síntesis de los aditivos. Esta
etapa inicial se divide en dos partes. La primera parte (I) abarca la
elaboración de tres aditivos a partir de una mezcla de aceites vegetales
nacionales y una poliamina siguiendo la reacción de síntesis de la
diamidoamina. La segunda parte (II) comprende, en dos de los casos, la
adición de diferentes reactivos a la reacción mencionada, para fabricar tres
aditivos distintos. Los reactivos empleados fueron: el dimetil sulfato y el
Producto A. La etapa final detalla la formulación, los equipos y los
procedimientos experimentales durante la evaluación de los aditivos
preparados en la etapa inicial. 59
. Capítulo III Parte Experimental III.1 Síntesis de los aditivos
En la siguiente tabla, se resumen las condiciones establecidas para la
síntesis de cada uno de los aditivos preparados.
Tabla 2
Resumen simplificado de las etapas de trabajo para la síntesis de los aditivos
ETAPA I II Aditivo Materia
Prima (150°C /6 h)
Reactivo
Temperatura Solvente
1 - - Vassa 2 Producto A 90°C Alcohol 3
Poliamina Ácido graso
Dimetilsulfato 80°C Alcohol
III.1.1 Materia prima, reactivos y solventes
III. 1.1.1 Materia prima utilizada en la etapa I
• Ácido graso de origen vegetal nacional
(Formulación reservada)
• Poliamina
Especificaciones: (Ver Tabla 3)
Tabla 3
Especificaciones de la poliamina utilizada
ESPECIFICACIÓN MEDIDAS DE LAS ESPECIFICACIONES
Densidad ( lb/galón) 7.89 Punto de ebullición normal(°C) 206.7
Punto de congelación (°C) - 39 Punto de ignición (°C) PMMC 102
Conductividad térmica (cal. / cm.-s-C) 20 °C
0.000523
Presión de vapor a 20 °C (mmHg.) 0.084
60
. Capítulo III Parte Experimental Fuente: Proveedor de la poliamina.
III. 1.1.2 Reactivos y solventes utilizados en la etapa inicial II
III.1.1.2.1 Reactivos utilizados para el aditivo 1.
• Aceite mineral (Solvente)
III.1.1.2.2 Reactivos utilizados para el aditivo 2.
• Producto A (Reactivo)
• Alcohol Metílico (Solvente)
III.1.1.2.3 Reactivos utilizados para el aditivo 3.
• Dimetil sulfato (Reactivo)
• Alcohol Isopropílico (Solvente)
III.1.2 Equipos utilizados en la etapa inicial de elaboración de aditivos
El equipo utilizado consta de un reactor de capacidad de 1000 ml, y
dimensiones iguales a 9 cm de diámetro y 15 cm de largo, provisto de un
condensador (Ver Apéndice K). En este reactor, se introduce el ácido graso
de origen vegetal y la poliamina como reactivos para la etapa inicial I de la
reacción. Posteriormente, el producto obtenido en la etapa mencionada, se
vuelve a colocar en el reactor, agregándole el producto A o el dimetil sulfato,
según el aditivo a preparar, para llevar a cabo la etapa inicial II.
El reactor posee una tapa de vidrio la cual contiene tres aberturas. Dichas
aberturas se utilizan para introducir el agitador de vidrio con aspas, el
61
. Capítulo III Parte Experimental termómetro y el condensador. Un taladro hace girar el agitador de vidrio
inmerso en la mezcla. El termómetro se usa para mantener el control de la
temperatura de la mezcla y se emplean dos reóstatos para controlar la
velocidad de agitación proporcionada por el taladro y el calentamiento de la
manta donde se encuentra el reactor.
III.1.3 Procedimiento utilizado para la obtención de los aditivos.
III.1.3.1 Procedimiento utilizado en la etapa inicial I.
Se colocó el montaje experimental debajo de una campana.
Se midió 500 ±10 ml. de ácido graso y 100 ± 10 ml. de poliamina con un cilindro graduado.
Se vertieron dichos volúmenes en el reactor.
Se introdujo el agitador de vidrio en el taladro, se procedió a agitar y se calentó moderadamente.
Se esperó a que se alcanzara 150 ± 10°C y luego se mantuvo dicha temperatura durante 6 horas.
Se dejó reposar a temperatura ambiente el producto obtenido.
Se dividió el producto obtenido para el procedimiento a continuación.
62
. Capítulo III Parte Experimental III.1.3.2 Procedimiento utilizado en la etapa inicial II.
III.1.3.2.1 Procedimiento utilizado para la obtención del primer emulsionante y agente humectante (Aditivo 1).
Se midió una cantidad de 100 ± 10 ml. del producto anterior y se diluyó con
aceite mineral (VASSA) al 10% v/v.
III.1.3.2.2 Procedimiento utilizado para la obtención del segundo emulsionante y agente humectante (Aditivo 2).
Un volumen de 150 ± 10 ml del producto obtenido en la etapa inicial I, se calentó moderadamente
hasta 90 ±10 °C en el reactor.
Se pesó 25.00 ± 0.01 g del producto A y se agregó
poco a poco. Se mantuvo con agitación y calentamiento durante
1 hora alrededor de 90±10 °C
Se disminuyó el calentamiento hasta 55±10 °C.
Se diluyó con 25 ± 1 ml. de alcohol metílico
Se dejó reposar hasta temperatura ambiente
63
. Capítulo III Parte Experimental III.1.3.2.3 Procedimiento utilizado para la obtención del tercer
emulsionante y agente humectante (Aditivo 3).
Un volumen de 300 ± 10 ml del producto obtenido
en la etapa inicial I, se calentó moderadamente hasta 80±10 °C con agitación continua en el
reactor.
Se procedió a añadir 50 ±1 ml. de dimetil sulfato.
Se mantuvo la agitación y el calentamiento durante 4 horas alrededor de 80±10°C
Se disminuyó el calentamiento hasta 55 ±10°C y se agregó 50 ± 1 ml. de alcohol metílico.
Se dejó reposar hasta temperatura ambiente.
III.1.4 Observaciones experimentales de la síntesis de los aditivos
• En la etapa inicial, se añadió un 20% de poliamina ya que el producto
es un residuo industrial y su concentración en ácidos grasos es poca.
(Formulación reservada).
64
. Capítulo III Parte Experimental
• La temperatura y el tiempo de reacción inicial son obtenidos a partir de
la literatura estudiada (Ver II.3.4 Representación de la reacción por
Linfield y Warner, 1984).
• El producto final diluido con aceite mineral (Aditivo1) de la etapa inicial
presenta un olor a amina tenue y un color marrón.
• Los aditivos cuaternizados (Aditivo 2 y 3) poseen un olor aún más
tenue de amina que el Aditivo 1 y un color vinotinto-marrón.
• Los aditivos poseen una apariencia viscosa.
• Las proporciones escogidas de producto A y de dimetil sulfato se
obtuvieron de acuerdo a la proporción de poliamina contenida en cada
muestra.
• La temperatura y el tiempo de reacción al usar dimetil sulfato fue la
utilizada al cuaternizar imidazolinas según Takano y Tsuji (Ver sección
II.3.10.2.2)
• La temperatura de la reacción, al preparar el Aditivo 2, es diferente a
la reportada por Takano y Tsuji, porque el impedimento estérico del
Producto A es mayor que el del dimetilsulfato. Por consecuencia, se
aumentó 10 °C la temperatura citada.
• El tiempo de reacción utilizado, al elaborar el Aditivo 2, fue el
reportado por Richmond (Ver sección II.3.10.2.2) por carecer de
información sobre cuaternizaciones logradas con el Producto A.
65
. Capítulo III Parte Experimental
• Se diluyen el Aditivo 2 y 3 con metanol e isopropanol respectivamente
a 55 °C según Richmond, ya que son compuestos volátiles.
III.2 Medición de las propiedades reológicas, físicas y químicas de los
aditivos obtenidos.
III.2.1 Equipos utilizado en la etapa de la evaluación de los aditivos
Los equipos descritos se encuentran en el Laboratorio El Samán (Tecnología
Integral del petróleo). (Ver Apéndice K)
III.2.1.1 Licuadora Multimixer
Se utiliza para someter la muestra a los altos niveles de velocidad de corte
simulando la rata de penetración en el pozo.
III.2.1.2 Horno de envejecimiento
Es un horno de temperatura controlada que posee rodillos giratorios,
utilizados para calentar y agitar la muestra por un período determinado. Los
envases giran a 50 rpm. La temperatura de envejecimiento es aquella a la
que el lodo va a ser sometido en el pozo. Durante el envejecimiento se
lograr hidratar o humectar las partículas coloidales que contiene el lodo
formulado y también se simulan las reacciones químicas que ocurren en el
hoyo, principalmente a bajas velocidades anulares. 66
. Capítulo III Parte Experimental
III.2.1.3 Balanza de lodo
La balanza de lodo se compone principalmente de una base sobre la cual
descansa un brazo graduado con un vaso, tapa, cuchillo, nivel de burbuja de
aire, caballero y contrapeso. Se utiliza para medir la densidad del lodo.
III.2.1.4 Viscosímetro de lectura directa
Es un instrumento de lectura directa, consta de dos cilindros concéntricos. El
primer cilindro se encuentra suspendido por un resorte y el segundo es
impulsado por un motor eléctrico. La muestra es colocada en el espacio
anular entre los dos cilindros. El motor hace girar al cilindro exterior a
velocidad constante y puede trabajar a velocidades de 3, 300 y 600 rpm.
para hacer las medidas de viscosidad plástica, punto cedente y resistencia
de gel. La rotación del cilindro exterior genera un torque en el cilindro interior
por el arrastre del lodo. El resorte limita el movimiento del cilindro suspendido
mientras que la deflexión del resorte se lee en el dial calibrado.
III.2.1.5 Filtro prensa ATAP
La celda de este filtro prensa puede llegar a soportar presiones de 1000 psi.
Este instrumento está compuesto por una manta calentadora de la celda y su 67
. Capítulo III Parte Experimental soporte. La celda filtro posee una abertura donde se coloca un termómetro
para medir la temperatura. El filtro prensa consta de dos válvulas, una inferior
para controlar el flujo del filtrado y una superior para impartir presión a la
celda. Se utiliza nitrógeno para impartir presión. Para temperaturas inferiores
a 400°F se utiliza papel de filtro.
III.2.1.6 Medidor de la estabilidad de la emulsión.
Por medio del uso de la electricidad, se determina la estabilidad de una
emulsión. El instrumento consiste en un circuito conectado a un electrodo.
Dicho circuito emplea corriente alterna. Para determinar la estabilidad de la
emulsión, se aumenta el voltaje entre los electrodos de una sonda de
separación fija hasta que las gotas de agua se conecten para formar un
puente que rompa con la emulsión.
III.2.2 Procedimiento para la evaluación de los aditivos en un lodo con
base de aceite.
Antes de evaluar las propiedades reológicas y físicas, fue necesario formular
el lodo de emulsión inversa. La formulación, los productos y las cantidades
fueron suministrados por el laboratorio El Samán. Luego, se realizaron los
diferentes procedimientos necesarios para evaluar los lodos de perforación.
Las pruebas realizadas fueron las siguientes: densidad, filtrado APAT,
viscosidad plástica, punto cedente, gel y estabilidad eléctrica.
68
. Capítulo III Parte Experimental
A continuación, se exponen los pasos para formular el lodo:
III.2.2.1 Formulación del lodo
Tabla 4
Formulación utilizada por el Laboratorio El Samán para lodos de emulsión inversa.
PRODUCTOS Y ORDEN DE
AGREGADO
TIEMPO DE MEZCLADO (MIN.)
CANTIDAD DE PRODUCTO (± 0.01 G.)
Vassa - 204.42 Agua 10 27.70 Cal 15 12.00
Agente humectante o emulsionante secundario*
15 1.00
Activador Polar 10 6.00 Arcilla organofìlica 15 10.00
Gilsonita 10 10.00 CaCO3 15 127.80
Formulación y productos suministrados por el Laboratorio El Samán. * No fue suministrado por El Laboratorio, se sustituye por el Aditivo 1, 2 o 3. Para preparar el lodo, se mezcló cada aditivo siguiendo el orden de la tabla 3
y los tiempos establecidos en la licuadora.
Primero, se determinó la cantidad óptima de cada aditivo (1, 2 y 3) para la
formulación descrita en la tabla 4 por medio de la medición de las
propiedades reológicas. Al obtener las propiedades reológicas en niveles
69
. Capítulo III Parte Experimental aceptables, se obtiene la concentración óptima del aditivo. Luego, se
envejecen los lodos con la concentración óptima de aditivo determinada.
A continuación, se exponen las pruebas realizadas a los lodos formulados:
III.2.2.2 Determinación de la densidad (Alvaréz, 2002)
Se aseguró que la balanza y la copa estuvieran limpias y secas
Se llenó la copa con el lodo a analizar
Se colocó la tapa sobre la copa del lodo y se enroscó hasta cerrar
Se aseguró que una pequeña cantidad de lodo salga por el agujero de la tapa para liberar los
gases que se encuentran atrapados. Se golpeó la parte inferior del recipiente de forma tal que las
burbujas se rompieran
Se limpió el exterior de la tapa, sujetando con el dedo pulgar el orificio
Se balanceó el brazo de la balanza moviendo el carril a lo largo de la escala graduada. El balance
se logra cuando la burbuja se encuentra en el centro del nivel.
70
. Capítulo III Parte Experimental
Se leyó el peso del lodo en el extremo del carril utilizando una de las escalas impresas.
Se lavó y secó la balanza de lodo después de cada uso.
III.2.2.3 Determinación de la viscosidad plástica y punto cedente
(Alvaréz, 2002)
Se colocó la muestra en una termocopa y se esperó que ésta alcance una temperatura de
150°F.
Se sumergió la camisa rotatoria en la muestra hasta la marca indicada.
Se rotó la camisa a 600 rpm. y se registró la lectura del dial una vez que se haya estabilizado
Se cambió la velocidad de rotación a 300 rpm. y se registró la lectura del dial una vez que se haya
estabilizado.
III.2.2.4 Determinación de la resistencia al gel (Alvaréz, 2002)
Se colocó la muestra en una termocopa y se esperó que ésta alcance una temperatura de
150°F
71
. Capítulo III Parte Experimental
Se sumergió la camisa rotatoria en la muestra hasta la marca indicada.
Se rotó la camisa a alta velocidad
Se permitió que el fluido permaneciera estacionario por 10 segundos y se rotó la camisa a
3 rpm al concluir este tiempo
Se registró la lectura máxima terminado los 10 segundos.
Nuevamente se rotó la camisa a velocidad alta por un momento, se permitió que el fluido
permaneciera en estado estacionario por 10 minutos y se rotó la camisa a 3 rpm. al concluir
este tiempo
Se registró la lectura máxima terminado los 10 minutos.
III.2.2.5 Determinación del filtrado APAT (Alvaréz, 2002)
Se conectó la celda de calentamiento
Se colocó el termómetro en el receptáculo correspondiente en el exterior de la celda
Se calentó la celda a 10°F por encima de la temperatura de prueba y se mantuvo esa
temperatura ajustando el termostato. Se revisaron todos los empaques y anillos
72
. Capítulo III Parte Experimental
Se agitó la muestra de lodo durante 5 minutos y se transfirió a la celda, al asegurarse que la válvula
inferior estaba cerrada. La celda no debe llenarse por encima de ½ pulgada de la pestaña en el
borde superior.
Se colocó el papel de filtro
Se asentó la tapa de la celda apropiadamente y se aseguró los tornillos. Se colocó la celda en la
cámara de calentamiento.
Se colocó la unidad de presión sobre la válvula superior y se aseguró con el perno
correspondiente
Se colocó la unidad receptora de baja presión sobre la válvula inferior y se aseguró colocar el
perno correspondiente
Se colocó la unidad receptora de baja presión sobre la válvula inferior y se aseguró colocar el
perno correspondiente.
Se aplicó 100 psi. a ambas unidades y se abrió la válvula superior ¼ de vuelta en dirección contraria
a las agujas de reloj.
Al alcanzar la temperatura de prueba, se aumentó la presión a 600 psi en la parte superior y se abrió
la válvula inferior para comenzar la filtración. El filtrado debe recolectarse en una probeta graduada por un período de 30 minutos.
73
. Capítulo III Parte Experimental
Mientras la prueba ocurrió, la temperatura de prueba se mantuvo dentro de un rango de ± 5 °F. El filtrado se drenó cuidadosamente de la celda
receptora cuando la contrapresión excedió de 100 psi.
Al alcanzar el tiempo requerido, se cerró ambas válvulas y aflojó el tornillo T del regulador de
presión. Se recolectó todo el filtrado y se agotó la presión de la unidad inferior y luego se agotó la
presión del regulador superior.
Se removió la celda de la cámara de calentamiento y se enfrió a temperatura ambiente
en posición vertical.
Se midió la cantidad del filtrado, mientras se esperó que la cámara está fría y se registró el
resultado
Se agotó la presión cuidadosamente a través de la válvula opuesta al disco de cerámica. Se cerró
dicha válvula y luego se abrió la otra, ubicada en el extremo opuesto, para agotar cualquier presión
que aún exista. .
Se desarmó la celda y se desechó la muestra de fluido de perforación.
III.2.2.6 Determinación de la estabilidad de la emulsión (Gray y Darley, 1988)
Se colocó la muestra en una celda
Se sumergió el electrodo en el muestra
74
. Capítulo III Parte Experimental
Se encendió el flujo de corriente
El voltaje se incrementó hasta que la emulsión se rompió
III.2.3 Observaciones experimentales al evaluar los aditivos en los lodos
• El laboratorio Pride y El Samàn poseen la misma formulación y la
misma cantidad de productos. La diferencia radica en el nombre
comercial que emplean dichos productos.
o La arcilla organófila utilizada por el Laboratorio El Samán es de
marca AP Clay y la utilizada por el Laboratorio PRIDE es SA
GelOil.
o El reductor de filtrado utilizado por el Laboratorio El Samán es
de marca Gilson y la utilizada por el Laboratorio PRIDE es SA
Drillex.
• Temperatura de envejecimiento utilizada por cada laboratorio:
o Laboratorio El Samàn: 300°F
o Laboratorio Pride: 320°F
• Tiempo de envejecimiento: 16 horas
• Envejecimiento con rotación
• Las muestras de lodo son de emulsión inversa 10/90, es decir 10% v/v
de agua y 90% v/v de aceite.
75
. Capítulo IV. Resultados y Análisis
Primero, se discutirán los resultados obtenidos en el Laboratorio El Samán
(Apéndice A, B, C, D y E) y luego, se compararán éstos con los resultados
suministrados por El Laboratorio San Antonio Pride (Apéndice F).
IV.1 Análisis de resultados obtenidos en el Laboratorio Samán
Para determinar la concentración óptima de los aditivos en la formulación, la
concentración del emulsionante secundario y el agente humectante, se
ajustó la concentración de los aditivos para que el punto cedente se
encontrará dentro de las especificaciones (Ver apéndice G). Dichos ajustes
de concentraciones, según el punto cedente observado, se encuentran en el
Apéndice H. Observando las gráficas 13, 14 y 15 (Apéndice H), se puede
visualizar que el punto cedente disminuye a medida que se aumenta la
concentración de los Aditivos 1, 2 y 3 en la formulación. Esto se debe a que
al aumentar la concentración del aditivo, aumenta la fuerza para suspender
los sólidos en estado dinámico y como consecuencia, se da una disminución
del punto cedente. El punto cedente no debe disminuir mucho, porque sino la
capacidad de suspender los sólidos en estado dinámico no ocurre; como en
el caso de la gráfica 14. Allí, se observa que al pasar de una concentración
de 1 a 1.5 lbpb, se registra una caída brusca del punto cedente de 21 a 6
lb/100ft2. Por consecuencia, se disminuyó la concentración a 1.25 lbpb para
obtener un punto cedente de 9 lb/100ft2, el cual se encuentra dentro de los
rangos especificados (Ver Apéndice G).
77
. Capítulo IV. Resultados y Análisis
Observando la gráfica 3, se puede visualizar que las muestras formuladas
(AO, BO, CO) que poseen las concentraciones óptimas (Ver Apéndice D) se
encuentran dentro de las especificaciones máximas y mínimas del punto
cedente.
0
5
10
15
20
Punt
o ce
dent
e (lb
/100
ft2)
AO, Aditivo 1 (4 lbpb)
BO, Aditivo 2 (1.25 lbpb)
CO, Aditivo 3 (2,75 lpb)
Especificación max.
Especificación min.
Grafica 3. Valores de punto cedente (lb/100ft2) obtenidos
utilizando las concentraciones óptimas señaladas en la formulación y con sus especificaciones respectivas.
Después de envejecer las muestras formuladas, se observa en la gráfica 4
que para una concentración óptima de 4 lbpb del Aditivo 1, en la formulación
AO’, se mantiene el punto cedente dentro de las especificaciones, mientras
que para las formulaciones óptimas (BO’ y CO’) con el Aditivo 2 y 3
respectivamente, el punto cedente está una unidad por debajo de las
especificaciones; lo que indica que aún hay una pequeña cantidad de aditivo
en exceso. Sin embargo, los valores de punto cedente obtenidos después de
envejecer las muestras con el aditivo 2 y 3 respectivamente, se encuentran
muy cercanos a las especificaciones mencionadas.
78
. Capítulo IV. Resultados y Análisis
0
5
10
15
20
Punt
o ce
dent
e (lb
/100
ft2)
AO', Aditivo 1 (4 lbpb)
BO', Aditivo 2 (1.25 lbpb)
CO',Aditivo 3 (2,75 lpb)
Especificación max.
Especificación min.
Gráfico 4. Valores de punto cedente (lb/100ft2) después de
envejecer obtenidos utilizando las concentraciones óptimas señaladas en la formulación y con sus especificaciones respectivas.
Comparando los valores del punto cedente de las formulaciones óptimas
(AO, BO y CO con AO’, BO’ y CO’ respectivamente) antes y después de
envejecer, se puede decir que ellos no se mantuvieron constantes por
influencia de las altas temperaturas (Ver Gráfico 5). El hecho de que el punto
cedente disminuya poco por el efecto de las altas temperaturas como en el
caso de las formulaciones BO y CO es favorable ya que al aumentar la
temperatura se mantendría la capacidad de suspender los sólidos en estado
estacionario. Para el caso de la formulación AO, se observa un aumento del
punto cedente al someterla al envejecimiento, tal vez se deba a un leve
intento de flocular. Sin embargo, los valores obtenidos antes y después del
envejecimiento se encuentran dentro de las especificaciones.
79
. Capítulo IV. Resultados y Análisis
0
5
10
15
20
Punt
o ce
dent
e (lb
/100
ft2)
AO
AO'
BO
BO'
CO
CO'
Especif icación max.
Especif icación min
Grafica 5. Valores de punto cedente (lb/100ft2) antes (AO, BO,
CO) y después (AO’, BO’, CO’) de envejecer obtenidos utilizando las formulaciones óptimas (Apéndice E) y con sus especificaciones respectivas.
Los valores de las concentraciones óptimas obtenidas (Ver Apéndice D)
fueron las esperadas. De los aditivos, el Aditivo 1 se tuvo que añadir en
mayor cantidad (4 lpb) para lograr un punto cedente favorable, mientras que
el Aditivo 2 se tuvo que añadir en menor cantidad (1.25 lpb) para lograr el
mismo efecto sobre el punto cedente. Esto se debe a que el Aditivo 1 no
contiene un compuesto que mejore la humectación y emulsión (Compuesto
que cuaternice) como es el caso del Aditivo 2. Entre el Aditivo 2 y 3 es de
esperarse que se requiera mayor cantidad del Aditivo 3 (2.75 lpb), ya que el
compuesto que mejora la emulsión y humectación de éste es una sal
mientras que en el Aditivo 2 es un compuesto orgánico (Producto A).
En el gráfico 6, se puede observar que los valores de la viscosidad plástica
para las formulaciones AO y CO permanecen constantes antes y después del
80
. Capítulo IV. Resultados y Análisis
envejecimiento. Esto evidencia, que el incremento de la temperatura no
afecta dichas formulaciones, mientras que para la formulación BO antes y
después del envejecimiento, se observa una disminución de la viscosidad
plástica. Esta disminución se debe a las altas temperaturas en el horno de
envejecimiento sobre la formulación, ya que el agua y el aceite disminuyen
su viscosidad a medida que la temperatura aumenta (Lummus y Azar, 1986).
0
5
10
15
20
25
Visc
osid
ad p
lást
ica
(cP)
AOAO'BOBO'COCO'
Gráfico 6. Valores de viscosidad plástica (cP) antes (AO, BO,
CO) y después (AO’, BO’, CO’) de envejecer obtenidos utilizando las formulaciones óptimas (Apéndice E).
En el gráfico 7, se puede observar como la formulación CO’ sigue el
comportamiento de un gel favorable según Lummus y Azar, mientras que las
otras dos formulaciones se alejan de dicho comportamiento. Sin embargo, al
observar el Gráfico 2 (Sección II.1.7) los valores de resistencia gel de la
formulaciones AO’ y BO’ se mantienen dentro del rango de geles deseables.
81
. Capítulo IV. Resultados y Análisis
05
1015202530
0 5 10 15
Tiempo (min.)
Fuer
za G
el (l
b/10
0ft2
)
AO'BO'CO'Gel Favorable
Gráfico 7. Valores de Fuerza gel (lb/100ft2) después (AO’, BO’,
CO’) de envejecer obtenidos utilizando las formulaciones óptimas (Apéndice E).
En el gráfico 8, se observa que todos los valores de las pérdidas de filtrado
están por debajo de la especificación máxima requerida, lo que indica que no
se perderá una excesiva cantidad de fluido por las formaciones naturales al
momento de perforar. El hecho de que no se haya encontrado agua en el
filtrado (Apéndice J) indica que la emulsión generada por los diferentes
aditivos es estable, ya que emulsionó toda el agua presente. Debido a que la
humectación y emulsión fue la adecuada, se formó un revoque delgado,
compacto y liso sobre el papel de filtro para las tres formulaciones (Apéndice
J); por lo tanto, los aditivos preparados actúan eficazmente al generar la
emulsión y la humectación necesarias para controlar el filtrado.
82
. Capítulo IV. Resultados y Análisis
0
2
4
6
8
10
Filtr
ado
(ml.)
AO'
BO'
CO'
Especificaciónmax.
Gráfico 8. Valores de pérdidas por filtrado (lb/100ft2) después
(AO’, BO’, CO’) de envejecer obtenidos utilizando las formulaciones óptimas (Apéndice E).
Los valores de la estabilidad eléctrica obtenidos de las formulaciones
preparadas antes de envejecer AO, BO, y CO y después de envejecer
AO’,BO’ y CO’, fueron los esperados, ya que las emulsiones generadas se
rompieron al aumentar el voltaje alrededor de los 2000 V, lo que indica una
buena emulsión. Pero, existe una diferencia entre los valores de estabilidad
eléctrica de las formulaciones AO, BO, y CO, los cuales resultaron mayores
que los valores de las formulaciones AO’,BO’ y CO’ . Esto se debe a que la
estabilidad de la emulsión decrece al aumentar la temperatura, tal como se
observa en el Gráfico 9.
83
. Capítulo IV. Resultados y Análisis
0
500
1000
1500
2000
Volti
os
AO
AO'
BO
BO'
CO
CO'
Especificaciónmáx.
Gráfico 9. Valores de estabilidad eléctrica (Voltios) y antes (AO,
BO, CO) y después (AO’, BO’, CO’) de envejecer obtenidos utilizando las formulaciones óptimas (Apéndice E), y su respectiva especificación.
En el Apéndice E, no se observa variación de la densidad antes y después
del calentamiento para las formulaciones elaboradas. La densidad de estas
formulaciones no se ve afectada por la variación de la temperatura. Que
estos valores sean constantes, implica que la presión hidrostática será
controlada de forma eficiente, para poder contener las presiones de la
formación.
84
. Capítulo IV. Resultados y Análisis
IV.2 Análisis de Resultados suministrados por el Laboratorio Pride
Los resultados suministrados por El Laboratorio Pride San Antonio se
encuentran en el Apéndice F. Se realizará una comparación entre los
resultados anteriormente discutidos y los suministrados por dicho laboratorio.
A las formulaciones EO y GO no se les determinó las pruebas respectivas, ya
que las mezclas obtenidas con 1 lbpb del Aditivo 1 y 3 respectivamente
tuvieron una consistencia pastosa y una estabilidad eléctrica de 875 V. (Ver
Apéndice F), la cual se encuentra alejada de las especificaciones. La
formulación FO no fue pastosa con 1 lpb del Aditivo 2, por lo tanto, el
laboratorio realizó las pruebas de dicha formulación.
La viscosidad plástica en el lodo FO es de 13 y 9 cP. antes y después de
envejecer respectivamente (Ver Apéndice F). La viscosidad plástica se
reduce en 4 cP. al someter a envejecimiento el lodo. La disminución se debe
al efecto de las altas temperaturas en el horno de envejecimiento, ya que el
agua y el aceite disminuyen su viscosidad a medida que la temperatura
aumenta (Lummus y Azar, 1986). A pesar de estas pequeñas variaciones de
las viscosidades plásticas antes y después del envejecimiento, se puede
mantener un sistema controlado ya que el aumento de la temperatura no
afecta significativamente el valor de la viscosidad plástica en la formulación
FO (Ver Gráfico 10).
85
. Capítulo IV. Resultados y Análisis
0
5
10
15
Visc
osid
ad
plás
tica
(cP)
FO
FO'
Gráfico 10. Valores de la viscosidad plástica (cP) para la
formulación FO antes y después del calentamiento (FO’) obtenidos a partir del Apéndice F.
A pesar de las pequeñas variaciones de los valores de la viscosidad plástica
observados, el punto cedente no se modificó significativamente en la
formulación. Para la formulación FO, se mantuvo constante el punto cedente
(11lb/100ft2) (Ver gráfico 11), es decir que el contenido de sólidos es el
mismo antes y después de someterlo a altas temperaturas y además, que el
sistema no floculó por el cambio de temperatura. Por otra parte, los valores
de punto cedente obtenidos de 11 lb/100ft2, antes y después del
calentamiento, respectivamente, se encuentran dentro de las
especificaciones mencionadas (Apéndice G) para proporcionar la suficiente
capacidad a la formulación, de cargar los sólidos a altas temperaturas y
circularlos.
86
. Capítulo IV. Resultados y Análisis
0
5
10
15
20
Punt
o ce
dent
e (lb
/100
ft2)
FO
FO'
Especificaciónmin. Especificaciónmax.
Gráfico 11. Valores del punto cedente (lb/100ft2)
para la formulación FO antes y después del calentamiento (FO’) obtenidos a partir del Apéndice F comparados con las especificaciones (Ver Apéndice G).
Las fuerzas de gel a los 10 s. y 10 min. para la formulación FO’ son de 4 y 11
(lb/100ft2) respectivamente después del envejecimiento En el gráfico 12, se
observa como la línea del gel de la formulación FO’ sigue el comportamiento
de un gel favorable según Lummus y Azar; no se comporta ni como un gel
frágil, ni como un gel progresivo. Por lo tanto, el gel obtenido es favorable.
0
5
10
15
0 10 20 30 40
tiempo (min)
Fuer
za G
el (l
b/10
02ft)
Gel Favorable
Gel FO'
Gráfico 12. Valores de las fuerzas de gel (lb/100ft2)
para la formulación FO’ después del calentamiento obtenidos a partir del Apéndice F y comparados con un gel favorable (Ver Apéndice G)
87
. Capítulo IV. Resultados y Análisis
Los voltajes aplicados a la formulación FO para lograr el rompimiento de la
emulsión, antes y después del envejecimiento fue elevado. Dichos valores
fueron 2000 y 1575 voltios, respectivamente. Por lo tanto, la emulsión
originada por el Aditivo 2 preparado es estable, incluso luego de haber
pasado por el proceso de envejecimiento, ya que los valores de estabilidad
en voltios obtenidos se acercan a las especificaciones (Ver Apéndice G).
También, es importante resaltar que la estabilidad disminuye al aumentar la
temperatura, lo que se evidencia en que los valores antes del calentamiento
son menores que los reportados después del calentamiento (Ver Gráfico 13)
0
500
1000
1500
2000
Esta
bilid
ad
eléc
tric
a (V
) FO
FO'
Especif icación
Gráfico 13. Valores de la estabilidad eléctrica (V) para
la formulación FO y después del calentamiento (FO’) obtenidos a partir del Apéndice F comparados con la especificación del aceite mineral puro (Apéndice G).
El valor de la pérdida de filtrado para el FO’ fue de 2 ml recogido en 30 min. a
altas presiones y altas temperaturas (Apéndice F). Este valor está dentro del
rango establecido, el cual debe ser menor de 15 ml . (Ver Apéndice G). No
se encontró agua en el filtrado lo que se traduce como la formación de una
88
. Capítulo IV. Resultados y Análisis
emulsión estable. De igual forma, el revoque observado fue liso, compacto y
delgado lo que se traduce como la formación de una emulsión estable.
Comparando las dos formulaciones óptimas que contienen el Aditivo 2 (BO y
FO) cabe acotar que el comportamiento de la viscosidad plástica al
someterlas a envejecimiento para ambas es el mismo, ya que la viscosidad
plástica disminuye al aumentar la temperatura. La formulación FO disminuye
de 13 a 9 cP al igual que la formulación BO disminuye de 9 a 7 cP.(Ver
Apéndice E y Apéndice F)
Comparando los resultados arrojados por el Laboratorio PRIDE y los
obtenidos en el Laboratorio El Samán, se puede decir con respecto a los
puntos cedentes de las formulaciones BO’ y FO’, que el de la última (11
lb/100ft2) es mejor que el punto cedente de la primera (7 lb/100ft2), según
especificaciones (Apéndice G). Esto se debe a que las concentraciones del
Aditivo 2 empleado en las formulaciones BO y FO fueron diferentes (1.25 y
1 lbpb respectivamente). Así se tiene que para lograr un punto cedente más
cercano a las especificaciones, que 7 lb/100ft2, obtenido en la formulación
BO, el Aditivo 2 se debe añadir dentro de un rango de (1-1,25) lbpb.
El comportamiento del punto cedente antes y después de envejecer de las
formulaciones BO y FO no fueron iguales ya que el de la formulación FO
89
. Capítulo IV. Resultados y Análisis
permanece constantes (11lb/100ft2) mientras que el de la formulación BO
disminuye por el efecto de la temperatura de 9 a 7 lb/100ft2.
Con respecto a la fuerza gel entre las dos formulaciones BO y FO, los
valores de gel a los 10 s. son los mismos (4 lb/100ft2), mientras que los
valores de gel a los 10 min. son diferentes (18 y 11 lb/100ft2). El filtrado fue
escaso para las dos formulaciones (2 y 1.6 ml) y sin presencia de agua en el
filtrado lo que garantiza que la emulsión es fuerte, en los dos casos. Además,
las estabilidades eléctricas fueron semejantes antes de envejecer (2000 V) y
después de envejecer (1750 y 1575 V.)
Con respecto a las concentraciones óptimas, éstas no fueron iguales, ya que
para el Aditivo 2 en la formulación FO fue de 1 lbpb y en la formulación BO
fue de 1.25 lbpb. Las concentraciones óptimas no fueron las mismas debido
a pequeñas diferencias de composición en los productos añadidos a la
formulación en cada laboratorio. Las concentraciones óptimas de los Aditivos
3 y 1 no fueron halladas por el Laboratorio PRIDE, pero se puede deducir
que no es 1 lbpb para ninguna de las formulaciones (AO, CO, EO, GO) (Ver
Apéndice A, C, F).
90
. Conclusiones y Recomendaciones
CONCLUSIONES
• Los aditivos sintetizados a partir de una combinación de ácido graso
vegetal nacional con un 20% de poliamina, actúan como agentes
emulsionantes secundarios y agentes humectantes en la formulación
descrita en las concentraciones óptimas obtenidas.
• El producto A del Aditivo 2 favorece la humectación y emulsión.
• En la formulación descrita, el Aditivo 1 y 3 en una concentración de 1
lpb. no actúan como agentes emulsionantes secundarios ni como
agentes humectantes.
• Las diferencias de las concentraciones óptimas del Aditivo 2 utilizadas
por El Laboratorio PRIDE y El Samán se debe a las diferencias de las
marcas en los productos.
92
. Conclusiones y Recomendaciones
RECOMENDACIONES
• Se sugiere realizar de nuevo la síntesis de los aditivos.
• Se recomienda la utilización de técnicas analíticas como la
espectrometría por el infrarrojo, la espectrometría de masas o la
resonancia magnética para caracterizar los aditivos elaborados.
• Se plantea aumentar o disminuir la concentración de poliamina para
observar como afecta dicho valor a las propiedades reológicas y
físicas.
• Se propone la búsqueda de otros compuestos orgánicos que
emulsionen y humecten mejor que el producto A utilizado en el
Aditivo2.
• Se recomienda estudiar el efecto de estos aditivos elaborados sobre la
formación natural a perforar.
93
. Conclusiones y Recomendaciones
• Se exhorta a elaborar otras pruebas con productos de diferente
marca.
94
Referencias Bibliográficas
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
• ALVAREZ, M. (2002). Fabricación experimental de productos
derivados a partir de la nuez de coco para aplicaciones en fluidos de
perforación. Trabajo de Grado, Ingeniería Química, Universidad
Metropolitana, Caracas.
• CASTRO, J. (2002). Evaluación de aditivos nacionales para fluidos de
perforación y rehabilitación de pozos de petróleo y/o gas. Trabajo de
Grado, Ingeniería Química, Universidad Metropolitana, Caracas.
• GRAY, G. y DARLEY, H (1980). Composition and properties of Oil
Well Drilling Fluids. ( Cuarta edición) Houston: Gulf Publishing Co.
• FANN INSTRUMENT COMPANY (2004). Disponible en:
www.fann.com
• JUNGERMAN, E. (1970). Cationic Surfactants. Vol. 4. pp. 10-11. New
York: Marcel Dekker.
• LUMMUS, J. y AZAR, J. (1986). Drilling Fluids Optimization: A
practical Field Approach. Tulsa: Penn Well Publishing Company.
• MOLINA y HERNÀNDEZ. (2001) Diseño de fluidos de perforación con
fase continua base aceite de bajo impacto ambiental. Trabajo de
Grado, Ingeniería Química, Universidad Central de Venezuela,
Caracas.
95
Referencias Bibliográficas
• QUINTERO, L. (2002) An Overview of Surfactants applications in
Drilling Fluids for Petroleum Industry. Journal Dispersion Science and
Technology, 23 (1-3) pp. 393-404.
• SALAGER, J. y ANTON, R. (1990) Surfactantes. Cuadernos FIRP 300,
Ingeniería Química, Universidad de los Andes, Mérida.
• SCHLUMBERGER, (2003). Disponible en:http://www.glossary.oilfield.slb.com
• RICHMOND,J (1990). Cationic Surfactants. Vol. 34 New York: Marcel
Dekker.
• TAKANO, S. y TSUJI, K. (1983) Analysis of Cationic and Amphoteric
Surfactants: Structural Analysis of Imidazolinium Cationic Surfactants.
JAOCS, Vol. 60, No 4. April. pp. 870-874
• WADE, L. Química Orgánica. (1993). 2da edición. Pearson Educación
pp. 883,891,989,1220-1221.
• WARNER, M. y LINFIELD, D. (1984) Fatty Oxazolines and
Imidazolines JAOCS, Vol. 61, No 2. February. pp. 437-441.
96
: Apéndice
98
Apéndice A.
Tabla 5
Formulación de las Muestras A, B, C y D con el Aditivo 1 y sus respectivas
propiedades reológicas y físicas antes del envejecimiento
PRODUCTO Y ORDEN DE AGREGADO
UNIDAD Y
PRESICIÓN
MEZCLA (MIN.)
A B C D
Vassa (±0.01g.) 10 204.42 204.42 204.42 204.42Agua (±0.01g.) 10 27.70 27.70 27.7 27.7 Cal (±0.01g.) 15 12.00 12.00 12.00 12.00
Aditivo 1 (±0.01g.) 15 1.00 1.50 2.15 4.00 Activador
Polar (±0.01g.) 10 6.00 6.00 6.00 6.00
Arcilla organofìlica
(±0.01g.) 15 10.00 10.00 10.00 10.00
Gilsonita (±0.01g.) 10 10.00 10.00 10.00 10.00 CaCO3 (±0.01g.) 15 127.80 127.80 127.8 127.80
Propiedades reológicas y
físicas
- - A B C D
Densidad (±0.1LPG) - 9.5 9.5 9.5 9.5 Lectura 600/300
(±1Lb/100ft2) - 136/124 128/78 53/38 40/25
Lectura 200/300
(±1Lb/100ft2) - 108/100 67/59 32/27 22/18
Lectura 6/3 (±1Lb/100ft2) - 75/83 53/52 22/25 15/9 Geles 10”/10’
(±1Lb/100ft2) - 109/170 56/77 29/53 10/16
Viscosidad plàstica
Cp (±1Lb/100ft2)
- 12 50 15 15
Punto cedente
(±1Lb/100ft2) - 112 28 23 10
Filtrado HPHT
(±0.1ml)/30 min.
- - - - -
Estabilidad elèctrica
(±25 Voltios) - 800 1100 1500 2000
Formulación y pruebas realizadas en el laboratorio El Samán.
: Apéndice
99
Apéndice B
Tabla 6
. Formulación de las Muestras A, B, y C con el Aditivo 2 y sus respectivas
propiedades reológicas y físicas antes del envejecimiento
PRODUCTO Y ORDEN DE AGREGADO
UNIDAD Y
PRESICIÓN
MEZCLA (MIN.)
A B C
Vassa (±0.01g.) 10 204.42 204.42 204.42Agua (±0.01g.) 10 27.70 27.70 27.7 Cal (±0.01g.) 15 12.00 12.00 12.00
Aditivo 2 (±0.01g.) 15 1.00 1.50 2.15 Activador
Polar (±0.01g.) 10 6.00 6.00 6.00
Arcilla organofìlica
(±0.01g.) 15 10.00 10.00 10.00
Gilsonita (±0.01g.) 10 10.00 10.00 10.00 CaCO3 (±0.01g.) 15 127.80 127.80 127.8
Propiedades reológicas y
físicas
- - A B C
Densidad (±0.1LPG) - 9.5 9.5 9.5 Lectura 600/300
(±1Lb/100ft2) - 115/88 44/25 51/30
Lectura 200/300
(±1Lb/100ft2) - 79/70 18/10 22/18
Lectura 6/3 (±1Lb/100ft2) - 50/84 2/2 8/8 Geles
10”/10’ (±1Lb/100ft2) - 124/200 4/15 11/20
Viscosidad plástica
Cp (±1Lb/100ft2)
- 67 19 21
Punto cedente
(±1Lb/100ft2) - 21 6 9
Filtrado HPHT
(±0.1ml)/30 min.
- - - -
Estabilidad eléctrica
(±25 Voltios) - 1500 2000 2000
Formulaciòn y pruebas realizadas en el laboratorio El Samàn.
: Apéndice
100
Apéndice C
Tabla 7.
Formulación de las Muestras A, B, C y D con el Aditivo 3 y sus respectivas propiedades reológicas y físicas antes del envejecimiento.
PRODUCTO Y
ORDEN DE AGREGADO
UNIDAD Y
PRESICIÓN
MEZCLA (MIN.)
A B C D
Vassa (±0.01g.) 10 204.42 204.42 204.42 204.42Agua (±0.01g.) 10 27.70 27.70 27.7 27.7 Cal (±0.01g.) 15 12.00 12.00 12.00 12.00
Aditivo 3 (±0.01g.) 15 1.00 1.50 2.15 4.00 Activador
Polar (±0.01g.) 10 6.00 6.00 6.00 6.00
Arcilla organofìlica
(±0.01g.) 15 10.00 10.00 10.00 10.00
Gilsonita (±0.01g.) 10 10.00 10.00 10.00 10.00 CaCO3 (±0.01g.) 15 127.80 127.80 127.8 127.80
Propiedades reológicas y
físicas
- - A B C D
Densidad (±0.1LPG) - 9.5 9.5 9.5 9.5 Lectura 600/300
(±1Lb/100ft2) - 103/85 65/42 55/36 45/30
Lectura 200/300
(±1Lb/100ft2) - 78/75 38/32 29/21 23/18
Lectura 6/3 (±1Lb/100ft2) - 62/63 25/23 6/6 8/5 Geles 10”/10’
(±1Lb/100ft2) - 73/80 12/45 10/19 6/10
Viscosidad plástica
Cp (±1Lb/100ft2)
- 18 23 19 15
Punto cedente
(±1Lb/100ft2) - 63 19 17 15
Filtrado HPHT
(±0.1ml)/30 min.
- - - - -
Estabilidad eléctrica
(±25 Voltios) - 1000 1200 1500 2000
Formulación y pruebas realizadas en el laboratorio El Samán.
: Apéndice
101
Apéndice D
Tabla 8.
Concentraciones óptima de los aditivos 1, 2 y 3 en la formulación descrita
ADITIVO CONCENTRACIÓN ÓPTIMA (±0.01 LPB)
1 4.00 2 1.25 3 2.75
: Apéndice
102
Apéndice E Tabla 9.
Formulación de las Muestras AO, BO y CO con las concentraciones óptimas
de los aditivos y sus respectivas propiedades físicas y reológicas antes y después de envejecer.
PRODUCTO Y ORDEN DE AGREGADO
UNIDAD Y
PRESICIÓN
AO BO CO
Vassa (±0.01g.) 204.42 204.42 204.42 Agua (±0.01g.) 27.70 27.70 27.70 Cal (±0.01g.) 12.00 12.00 12.00
Aditivo 1 (±0.01g.) 4.00 - - Aditivo 2 (±0.01g.) - 1.25 - Aditivo 3 (±0.01g.) - - 2.75 Activador
Polar (±0.01g.) 6.00 6.00 6.00
Arcilla organofìlica
(±0.01g.) 10.00 10.00 10.00
Gilsonita (±0.01g.) 10.00 10.00 10.00 CaCO3 (±0.01g.) 127.80 127.80 127.80
Propiedades reológicas y
físicas
AO AO’ BO BO’ CO CO’
Densidad ±0.1LPG 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 Lectura 600/300
±1Lb/100ft2 40/25 43/28 51/30 39/23 45/30 37/22
Lectura 200/300
±1Lb/100ft2 22/18 22/16 22/18 17/10 23/18 17/11
Lectura 6/3 ±1Lb/100ft2 15/9 11/11 8/8 4/2 8/5 3/3 Geles 10”/10’ ±1Lb/100ft2 10/16 16/26 11/20 4/18 6/10 5/9 Viscosidad
plástica Cp 15 15 21 16 15 15
Punto cedente
±1Lb/100ft2 10 13 9 7 15 7
Filtrado HPHT
±0.1ml/30 min.
- 1 - 1.6 - 2
Estabilidad eléctrica
±25 Voltios 2000 1550 2000 1750 2000 1600
A, B y C: son las formulaciones antes de envejecer A’, B’ y C’: son las formulaciones después de envejecer a 300 F por 16 horas. Formulación y pruebas realizadas en el laboratorio El Samán.
: Apéndice
103
Apéndice F Tabla 10.
Formulación de las Muestras EO, FO y GO con las concentraciones óptimas
de los aditivos y sus respectivas propiedades físicas y reológicas antes y después de envejecer.
PRODUCTO Y
ORDEN DE AGREGADO
UNIDAD
EO FO GO
Vassa (±0.01g.) 204.42 204.42 204.42 Agua (±0.01g.) 27.70 27.7 27.70 Cal (±0.01g.) 12.00 12.00 12.00
Aditivo 1 (±0.01g.) 1.00 - - Aditivo 2 (±0.01g.) - 1.00 - Aditivo 3 (±0.01g.) - - 1.00
Activador Polar (±0.01g.) 6.00 6.00 6.00 Arcilla
organofìlica (±0.01g.) 10.00 10.00 10.00
Gilsonita (±0.01g.) 10 12 10.00 CaCO3 (±0.01g.) 127.8 127.8 127.80
Propiedades reológicas y
físicas
- EO EO’ FO FO’ GO GO’
Densidad (±0.1LPG) 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 9.5 Lectura 600/300
(±1Lb/100ft2) ND ND 37/24 29/20 ND ND
Lectura 200/300
(±1Lb/100ft2) ND ND 17/12 13/9 ND ND
Lectura 6/3 (±1Lb/100ft2) ND ND 4/2 4/3 ND ND Geles 10”/10’ (±1Lb/100ft2) ND ND 4/9 4/11 ND ND Viscosidad
plástica Cp
(±1Lb/100ft2)ND ND 13 9 ND ND
Punto cedente (±1Lb/100ft2) ND ND 11 11 ND ND Filtrado HPHT (±0.1ml)/30
min. - - - 2 - -
Estabilidad eléctrica
(±25 Voltios) 875 - 2000 1575 875 -
E, F y G: son las formulaciones antes de envejecer E’, F’ y G’: son las formulaciones después de envejecer a 300 F por 16 horas. ND: No determinadas. (Formulación y pruebas realizadas por el laboratorio Pride).
: Apéndice
104
Apéndice G
Tabla 11.
Especificaciones para un fluido de perforación de emulsión inversa 10/90 y
9.5 lbpg. de densidad.
PRUEBA VALOR ESPECIFICADO
REFERENCIA
Estabilidad eléctrica (Voltios)
Cercano y menor a 2000 (Ing. Hernan Valera)
Punto cedente (8-20) lb/100ft2 (Ing. Hernan Valera) Gel Gel favorable Lummus y Azar, 1986
y Schlumberger, 2004Filtrado HPHT lodos
base aceite Menor de 15 ml. en 30
min. Lummus y Azar, 1986
: Apéndice
105
Apéndice H
020406080
100120
Punt
o ce
dent
e (lb
/100
ft2)
A (1 lbpb)
B (1.5lbpb)
C(2,15lbpb)
D (4lpb)
Especificaciónmin.Especificaciónmax.
Grafico 14. Valores de punto cedente según la
concentración del Aditivo1 y las especificaciones respectivas (Apéndice G)
0
5
10
15
20
25
Punt
o ce
dent
e (lb
s/10
0ft2
)
A (1 lpb)
B (1.5 lbpb)
C (1.25 lbpb)
Especificaciónmin.Especificacionmax.
Grafico 15. Valores de punto cedente según la concentración del Aditivo2 y las especificaciones respectivas (Apéndice G)
: Apéndice
106
0
5
10
15
20
25
Punt
o ce
dent
e (lb
/100
ft2)
A (1 lbpb)
B (1.5 lbpb)
C (2 lbpb)
D (2.75 lbpb)
Especificaciónmin.Especificaciónmax.
Grafico 16. Valores de punto cedente según la concentración del Aditivo3 y las especificaciones respectivas (Apéndice G)
: Apéndice
107
Apéndice J
• Características del revoque y del filtrado (después de envejecer):
o Observaciones del Laboratorio El Samàn:
No se observó agua en el filtrado. Los revoques observados
fueron lisos, compactos y delgados para las tres formulaciones
con los aditivos 1, 2 y 3 respectivamente.
o Observaciones del Laboratorio Pride:
Al utilizar el Aditvo 2 con una concentración de 1 lbpb en la
formulación, no se observó agua en el filtrado. El revoque
observado fue liso, compacto y delgado. Al utilizar el Aditivo 1 y
3 en la formulación con una concentración de 1 lbpb, el
laboratorio observó que la emulsiones fueron pastosas
: Apéndice
108
Apéndice K
Apéndice K.1 Equipo utilizado en la síntesis de los aditivos.
Figura 7. Equipo utilizado en la etapa de
la síntesis de los aditivos.
: Apéndice
109
Apéndice K.2 Equipos utilizados en la evaluación de los aditivos.
(Imágenes disponibles en: Fann Instrument Company, 2004)
Figura 8. Horno de envejecimiento
Figura 9. Celdas de envejecimiento
Figura 10. Balanza de lodos
: Apéndice
110
Figura 11. Medidor de la estabilidad eléctrica
Figura 12. Licuadora Multimixer
Figura 13. Viscosímetro Fann
: Apéndice
111
Figura 14. Equipo de filtración para altas presiones y temperaturas
. Apéndice
GLOSARIO DE TÉRMINOS
Aditivo Cualquier material agregado a un fluido de perforación para lograr un propósito en particular.
Aceite Aceite vegetal o animal, compuesto de triglicéridos, es decir triésteres de ácidos grasos
Ácidos Grasos Acidos carboxílicos con número par de átomos de carbono que se encuentran en los triglicéridos de los aceites y grasa naturales. Generalmente entre 10-20 átomos de carbono, con cadena lineal saturada o insaturada y con el grupo carboxílico en la extremidad. Las sales se llaman JABONES.
Ácido y Base Definición de Bronsted Lowry: Ácido: donador de protones y base: aceptor de protones. Definición de Lewis: Ácido aceptor de electrones y base donador de par de electrones.
Adsorción Fenómeno de acumulación de una sustancia en una superficie o interfase.
Agente Humectante
Un compuesto que al ser agregada a un líquido aumenta la dispersión del líquido sobre una superficie.
Amida Derivado del ácido carboxílico en el cual un grupo hidrófilo del ácido está sustituido por un átomo de nitrógeno y está unido a nitrógenos o grupos alquilo. Una amida es un compuesto entre un ácido carboxílico y una amina.
Amina Derivado del amoniaco en que uno o más grupos alquilo o arilos están unidos al átomo de nitrógeno.
Antiestático Sustancia que al adsorberse, elimina las cargas eléctricas y por lo tanto los fenómenos de atracción o repulsión electrostática.
Barrena Utensilio utilizado para taladrar en la perforación.
Barril Unidad volumétrica usada en la industria petrolera igual a 42 galones U.S.
111
. Apéndice Barril equivalente Unidad de laboratorio usada para evaluar a los fluidos de
perforación. Un gramo de material, al ser añadido a 350 ml de fluido es equivalente a 1 lb. De material añadido a un barril de fluido de 43 galones.
Bentonita Arcilla coloidal plástica que se compone principalmente del mineral montmorilonita de sodio, un silicato de aluminio hidratado.
Centipoise (cP) Unidad de viscosidad igual a 0.01 poise. Un poise es igual a 1 g por metro – segundo
Coalescencia Combinación de partículas en una emulsión causada por la atracción molecular.
Conductividad Medida de la cantidad de electricidad transferida a través del área unitaria por gradiente de potencial unitario por unidad de tiempo.
Corrosión Alteración química adversa a un metal por humedad, aire o productos químicos.
Cristal líquido Estructura organizada que tiene características de un cristal pero puede deformarse fácilmente como un líquido.
Dispersión Sistema polifásico, en general sólido-líquido de fase continua. Se usa también para emulsiones no estables.
Electrófilo Un aceptor de par de electrones
Emulsión Sistema difásico relativamente estable compuesto de dos líquidos inmiscibles: uno en forma de gotas ( fase interna o discontinua) dispersadas en el otro ( fase externa o continua)
Emulsionar Acción de fabricar una emulsión
Emulsionante Surfactante cuya función es facilitar la formación de una emulsión.
Esfuerzo de corte Acción resultante de las fuerzas aplicadas entre dos cuerpos contiguos en una dirección paralela a su plano de contacto.
112
. Apéndice Espuma Dispersión relativamente estable de un gas en un líquido
Gel Estructura isotrópica o anisotrópica en la cual ciertas
sustancias producen formación de redes tridimensionales que resultan en una reología casi sólida. Veáse CRISTAL LIQUIDO
Grasas Sustancias naturales de origen animal o vegetal (sólidas) tales como el sebo y la manteca de tocino.
Fase continua Fase fluida que rodea completamente la fase discontinua o dispersa.
Fase discontinua Fase esparcida de una dispersión. Las partículas están finamente divididas y rodeadas por la fase continua.
Filtración Proceso de separación de sólidos suspendidos, forzando el líquido a través del medio poroso.
Filtrado Líquido forzado a través de un medio poroso.
Fluido Cualquier sustancia que se deforma continuamente cuando se somete a una fuerza
Hidratación Acto por el cual una sustancia adquiere agua, por adsorción o absorción.
Hidrófilo Textualmente “amigo del agua”. Sustancia o grupo funcional afín al agua.
Hidrófobo Textualmente enemigo del agua. Sustancia o grupo funcional que repele el agua.
Humectación Adhesión de un líquido a la superficie de un sólido.
Humectado Indica que la superficie está recubierta por aceite o agua.
Impedimento estérico
Interferencia de grupos v voluminosos cuando se acercan a una posición donde sus nubes electrónicas comienzan a repelerse entre sí.
113
. Apéndice Imidazolina Es una familia de compuestos basados en cinco
elementos los cuales forman una estructura cíclica insaturada. Dos de los elementos del anillo son nitrógenos. Las imidazolinas comercialmente útiles son producidas a partir de las poliaminas tales como: dietilentriamina (DETA), etilendiamina (EDA), o trietilentetramina (TETA) y largas cadenas de ácidos grasos o sus metilésteres.
Inhibidor de corrosión
Sustancia que al adsorberse sobre un sustrato metálico reduce la corrosión.
Jabón Sal de un ácido graso con un metal alcalino generalmente.
Micela Compuesto de agregación de varias moléculas de SURFACTANTES. Las micelas son responsables de las propiedades de solubilización y de detergencia. Aparecen a partir de la concentración micelar crítica CMC.
Nucleófilo Donador de par de electrones.
Recortes Pequeños fragmentos de formación que resultan de la acción de perforación de la barrena.
Suspensión Dispersión estabilizada de un sólido en un líquido
Torque Una medida de la fuerza aplicada a un eje causando su rotación.
Velocidad anular Velocidad del fluido que se desplaza en el espacio anular 114
. Apéndice
GLOSARIO DE UNIDADES
Tabla 12
Glosario de las unidades más importantes empleadas.
SÍMBOLO SIGNIFICADO cP Centipoises ft. Pie g Gramos
lbpb Libras por barril Lb/100ft2 Libra fuerza/100 pie cuadrado
LPG o lbpg
Libras por galón
ml Mililitro min. Minutos rpm Revoluciones por minutos
s Segundos V Voltios
115