Hola comunidad científica de Steemit. Como en otras oportunidades aquí me encuentro compartiendo mis conocimientos relacionados con la industria del petróleo. En esta ocasión nuestro objetivo esta enfocado en el estudio de los sistemas viscoelásticos ¿qué son? son fluidos utilizados durante la perforación y completación de pozos petroleros.

Con el pasar del tiempo en la perforación de pozos se han desarrollado nuevas técnicas y herramientas para obtener la mayor recuperación de hidrocarburo de los yacimientos. La perforación de pozos direccionales es una de ella, consigue incrementar la producción, disminuir costos, riesgos ambientales y otros beneficios. No obstante, trae como consecuencia una serie de problemas tales como acumulaciones de ripios en las zonas más inclinadas, excesivo torque y arrastre de la sarta de perforación y rápida sedimentación de ripios. Todos estos problemas se lograron disminuir con la implementación de los fluidos viscoelásticos debido a sus especiales características reológicas.

_{Fuente: Imagen de @ennyta}

En estos pozos direccionales el uso de los sistemas convencionales con fluidos tixotrópicos, es decir reológicamente dependientes del tiempo continuaron originando resultados erróneos. Mientras que los fluidos de perforación especialmente diseñados y viscosificados con biopolímeros han probado ser la mejor selección en un amplio rango de aplicación. Los fluidos basados en biopolímeros exhiben propiedades reológicas ideales no encontradas en sistemas convencionales.

Una de las funciones del ingeniero de petróleo consiste en disminuir al máximo los costos que involucra las operaciones de perforación, para ello es imprescindible tener en cuenta factores como la perforación de pozos en el menor tiempo posible, evitar el daño a la formación y el impacto ambiental. Basándose en estas necesidades se creó un fluido económico, eficiente, muy bueno para el control de propiedades reológicas y para reducir el impacto ambiental, se trata de los lodos viscoelásticos especialmente diseñados y viscosificados con el uso de biopolímeros los cuales han probado ser la mejor selección en un amplio rango de aplicación en pozos horizontales y direccionales.

¿Qué son lodos viscoelásticos?

Son fluidos pseudoplásticos, eso quiere decir que tiene características viscosas como un líquido y elásticas como un sólido. Entre las principales propiedades que tienen estos fluidos está la alta viscosidad que alcanza a bajas tasas de corte y puede desarrollar geles instantáneos de fácil ruptura.

Este tipo de fluidos no llevan en su composición bentonita, como es el caso de los lodos base agua, en sustitución de ella utilizan biopolímeros, por ello también se conocen como fluidos biopoliméricos, los cuales se obtienen mediante un proceso de fermentación bacteriana. Tienen excelentes propiedades de viscosidad y una alta capacidad de limpieza del hoyo, esto ayuda a acarrear los ripios especialmente en trabajos de perforación en pozos horizontales y direccionales.

Beneficios y ventajas del sistema viscoelástico

• Óptimos para perforación de pozos horizontales y direccionales.
• Minimiza los problemas de arrastre.
• Mejora las condiciones hidráulicas de la mecha.
• Permite tener mayores tasas de flujo y de penetración.
• Reduce las pérdidas de presión en los flujos turbulentos.
• Simplifica los procedimientos de limpieza del equipo.
• Forma revoque delgado para proteger la zona productora de daños causados por invasión de fluidos.
• Reducen las presiones de bombeo.
• Baja concentración total de sólidos.
• Inhiben las arcillas de las formaciones productoras.
• Aceptabilidad ambiental.
• Estos sistemas optimizan las paredes del hoyo para las operaciones de completación.

Limitaciones del sistema viscoelástico

• Son pocos resistentes a las altas temperaturas (250°F) ya que producen una pérdida de viscosidad en los polímeros que componen el sistema viscoelástico, por lo tanto, deben ser evitadas.
• También se degradan cuando permanecen estáticos por grandes períodos de tiempo.
• Los almidones naturales usados en el control de filtrado se degradan alrededor de los 250°F.
• Tiende a degradarse por bacterias por efecto de la fermentación, por lo tanto se debe usar bactericidas.

Comportamiento del sistema viscoelástico en la perforación con respecto a la limpieza del hoyo

Las características excepcionales del sistema aseguran la suspensión superior del ripio y la máxima limpieza del espacio anular. A bajas tasas de corte, aumenta la viscosidad mucho más que otros polímeros, ventaja que da mejor aptitud para suspender los ripios. Su capacidad de suspensión es tal que aun en condiciones estáticas minimiza la formación de lechos de ripios que se forman en el punto de máxima desviación.

El perfil óptimo para la remoción de sólidos en la perforación de pozos horizontales es el flujo turbulento. Está demostrado que los fluidos viscoelásticos permiten minimizar los problemas de arrastre, mejorar las condiciones hidráulicas en la mecha y obtener mayores tasas de penetración.

¿Qué efecto puede causar el cemento en un sistema viscoelástico?

El cemento es un contaminante muy común encontrado en la perforación proveniente del proceso de cementación del pozo. Este contaminante afecta notablemente la estabilidad de los biopolímeros, debido a que el cemento contiene compuestos de calcio que reaccionan con el agua que forma parte del lodo y forma hidróxido de calcio (cal) el cual altera el pH del fluido haciendo que aumente y afectando directamente las propiedades de los polímeros que forman parte de la composición del lodo viscoelástico, un alto pH destruye el polímero.

Componentes químicos del sistema viscoelástico

Entre los componentes necesarios para la preparación de los fluidos viscoeslásticos se encuentran los siguientes:

• Agua fresca
  Es la fase continua del sistema viscoelástico, puede ser agua dulce o salmuera esto depende de la disponibilidad del líquido. Es usada como base del fluido y es ideal para perforar formaciones duras, compactas y de bajas presiones.

• Barazan
  Es un biopolímero también conocido como goma xántica o de xanta. Es el componente que provee viscosidad y suspensión al sistema.

• Dextrid
  Se usa como controlador de filtrado, provee un mínimo de viscosidad y aumenta la estabilidad del pozo. Este componente es un almidón proveniente de las papas.

• Hidróxido de Potasio (KOH)
  Se emplea para incrementar el pH en el sistema, además que ayuda a la inhibición de las lutitas.

• Lubricante de baja toxicidad (Lube 167)
  Es un lubricante usado para disminuir el coeficiente de fricción, por lo tanto se disminuye el torque de la sarta de perforación, la pega y el arrastre.

• Aldacide G
  Es un componente que se emplea para controlar la proliferación bacteriana en el fluido.

• Carbonato de calcio (CaCO₃)
  Es usado como densificante, por lo que al aumentar la densidad del lodo ayuda a evitar la invasión de fluidos externos desde la formación al pozo y al mismo tiempo ayuda a prevenir la pérdida de circulación.

Preparación de un sistema viscoelástico

En la preparación de los lodos viscoelásticos no se utilizan arcillas comerciales (como por ejemplo bentonita) como viscosificantes, como es el caso de los lodos base agua. En reemplazo de estas arcillas se utilizan biopolímeros, los cuales son obtenidos mediante un proceso de fermentación bacteriana, a través de este proceso permite al fluido ser mucho más viscoso y por lo tanto tener la capacidad de suspensión de los sólidos, ayuda a mejorar la hidráulica y disminuye los problemas durante la perforación de torque y arrastre.

Durante la perforación de pozos desviados las fuerzas gel juegan un papel importante ya que dadas las condiciones de esfuerzos establecidos se requieren de una apropiada resistencia que va a permitir la suspensión de los ripios desprendidos así como también del material que se ha derrumbado. Estas fuerzas gel deben proporcionar la suspensión bajo condiciones estáticas y de baja velocidad de corte. Hay que considerar que estos geles no deberían ser demasiado altos para evitar problemas operacionales.

Para el desarrollo de esta publicación se prepararon 4 sistemas viscoelásticos que estaban compuestos por agua, Barazan, Dextrid, KOH, X-CIDE y CaCO₃. Se determinaron propiedades como la densidad, pH, reología (a temperatura ambiente y T=120ºF), filtrado API y HP-HT, porcentaje de agua y sedimentos. Posteriormente 2 sistemas fueron contaminados con cemento e igualmente se le determinaron todas las propiedades empleando equipos como la balanza analítica, la balanza de lodos, viscosímetro Fann, el Kit retorta y la filtro prensa API.

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Durante la preparación del lodos se empleó los siguientes componentes:

Resultados de las propiedades reológicas tanto del lodo viscoelástico sin contaminar (base) y el contaminado con cemento

Discusión de los resultados obtenidos

Con la preparación del lodo viscoelástico se produjeron los valores de las propiedades del sistema, como se muestra en la tabla de resultados (Tabla 2). Se elaboraron y estudiaron cuatro muestras de lodos, dos lodos base y dos lodos contaminados con cemento, para así evaluar la variación de las propiedades del sistema:

Densidad

Con la ayuda de la balanza de lodos para determinar la densidad del sistema se determinóque la densidad obtenida en la muestra 1 es de 9.1 lpg, permaneciendo constante en las tres muestras restantes, dando a demostrar que la contaminación por cemento no afecta la densidad del sistema, sin embargo teóricamente debería ser lo contrario, ya que un sistema contaminado con cemento aumenta la cantidad de sólidos (debido a la reacción del mismo con el agua) y, por ende, también lo debería hacer la densidad, este aumento no es alto, pero si debe variar en comparación con un lodo base.

pH

Para la medición del pH se puede notar que las muestras 1 y 2 poseen valores relativamente lejanos, demostrando así que la contaminación con cemento altera esta propiedad, debido a que el mismo contiene compuestos de calcio que reaccionan con el agua para formar hidróxido de calcio (cal), la cual aumenta la presencia de iones OH- en el lodo y, por consiguiente, aumenta drásticamente del pH del mismo. Cabe destacar que con la presencia de un pH excesivamente alto la mayor parte de los biopolímeros constituyentes de los lodos viscoelásticos se degradan, ocasionando alteraciones en las demás propiedades de dicho sistema. Las variaciones y semejanzas de los pH obtenidos se pueden observar en la gráfica de variación de pH en lodos base y contaminados donde las muestras 1 y 3 no presentan gran variación entre sí, pero las muestras 2 y 4 denotan mayor variación con la contaminación con cemento.

_{Variación de pH en lodos base y contaminados [Imagen propiedad de @ennyta]}

Viscosidad plástica

La viscosidad plástica obtenida en las diferentes muestras no son cercanas en comparación con los valores teóricos de un rango de 6 cps a 15 cps. Pero en la muestra 1 se puede notar que la viscosidad plástica presente a una temperatura ambiente es de 48 cps mientras que a la temperatura de 120ºF es de 33 cps. Esta variación es aceptable y acorde a la teoría, debido a que un aumento de temperatura en un lodo hace que las fuerzas intermoleculares de las partículas presentes en el mismo disminuyan ocasionando un libre movimiento y a su vez una reducción de la fricción entre las partículas, lo que ocasiona la variación o merma de esta propiedad, como se muestra en la gráfica del comportamiento de la viscosidad plástica con respecto a la temperatura. Mientras que las muestras de lodo contaminado los valores resultantes deben ser menores que los lodos base, debido a que la adición de cemento al lodo produce degradación de los polímeros (los cuales son los que aportan la viscosidad al sistema), provocando así la disminución de la propiedad. La certeza de las variaciones mencionadas se puede observar en las muestras restantes.

_{Comportamiento de la viscosidad plástica con respecto a la temperatura [Imagen propiedad de @ennyta]}

Punto cedente

Así como ocurrió una variación en la viscosidad plástica, del mismo modo ocurre con el punto cedente, debido a que ambos dependen de las condiciones en que se presenten las partículas; la viscosidad plástica depende de la fricción mecánica entre las partículas y el punto cedente depende de las fuerzas de atracción entre las partículas producto de la interacción de las cargas eléctricas de las mismas, donde el rango teórico es de 23 lbs/100pie² a 57 lbs/100pie² y para lodos contaminados los valores están entre 20 lbs/100pie² y 24 lbs/100pie². Los valores obtenidos de punto cedente oscilan en los lodos base entre 21 lbs/pie² a 80 lbs/pie² y en los lodos contaminados entre 34 lbs/pie² a 91 lbs/pie², los cuales se puede decir que poseen algunos valores óptimos de punto cedente para un buen funcionamiento del lodo con la formación. Cabe destacar que los sistemas viscoelásticos poseen la característica de presentar un punto cedente mayor a la viscosidad plástica, debido a la interacción eléctrica entre las superficies de las partículas presentes en el sistema y la presencia de iones salinos, comparado con una baja resistencia al flujo por fricción mecánica. En consideración con el lodo contaminado con cemento en la muestra 2 a temperatura ambiente, se puede notar que existe una variación en esta propiedad en comparación con la muestra 1 a la misma temperatura (lodo base), debido a que un aumento de sólidos aumenta el número de cargas de superficie cuando el ión calcio rompe las cadenas de los polímeros (los cuales controlan la reologia del sistema) y disminuye la distancia entre las partículas, provocando el aumento del punto cedente. Mientras que para los lodos base y contaminados a 120ºF se puede notar que los valores son menores a las mediciones de punto cedente realizadas a temperatura ambiente, esto es debido a que el aumento de temperatura disminuye las fuerzas de atracción entre las partículas, reduciendo la resistencia a fluir del lodo y, por ende, ocasiona una reducción del punto cedente en todas las muestras. Estas observaciones se pueden observar claramente en la gráfica del comportamiento del punto cedente con respecto a la temperatura.

_{Comportamiento del punto cedente con respecto a la temperatura [Imagen propiedad de @ennyta]}

Viscosidad aparente

En el caso de la viscosidad aparente cuyo valor teórico es de 35 cps para los sistemas viscoelástico y los valores obtenidos no cumplen con el valor teórico, ya que para los lodos base a temperatura ambiente y a 120°F oscilan entre 20.5 cps a 90 cps y para los lodos contaminados a temperatura ambiente y a 120°F oscilan de 49 cps a 83 cps. Se puede apreciar que los lodos base presentan mayor viscosidad aparente a diferencia de los lodos contaminados, esto debido a la degradación de los polímeros causada por el cemento, cabe destacar que un alto valor de viscosidad generará problemas de bombeabilidad del lodo, reducción de las tasas de penetración y un inadecuado acarreo de ripios. En la gráfica viscosidad aparente vs temperatura, se observaron reducciones de viscosidad aparente a mayores temperaturas, ocasionando una disminución a la resistencia que tienen los fluidos a fluir, lo cual va de la mano con el punto cedente ya que ocurre la misma disminución a altas temperaturas.

_{Comportamiento de la viscosidad aparente con respecto a la temperatura [Imagen propiedad de @ennyta]}

Pérdida de filtrado

Para el sistema estudiado las pérdidas de filtrado posee un rango entre 5cc/30min y 14cc/30min. Los resultados obtenidos mediante el equipo de Filtro Prensa API nos muestran la variación de filtrado en intervalos de tiempos semi-continuos en un lodo base y otro contaminado con cemento a temperatura ambiente, dichos resultados se encuentran dentro del rango teórico preestablecido. La presencia de cemento en un lodo aumenta el espesor del revoque como se muestra en la gráfica (el lodo base presenta un espesor de 1.5mm y el lodo contaminado 2.5mm) lo que tiene como consecuencia un aumento en el volumen de filtrado, debido a que la presencia de un revoque grueso no cumple con las funciones ideales de un revoque como el control de filtración, esto se ve reflejado en la gráfica del volumen de filtrado contra tiempo.

_{Volumen de filtrado contra tiempo [Imagen propiedad de @ennyta]}

Mientras que el lodo base presenta volúmenes de filtrado moderados y según la teoría el sistema estudiado debe formar un revoque liso y delgado que pueda controlar el volumen de filtrado necesario para evitar el daño a las formaciones productoras para un buena evaluación de las formaciones a través de registros eléctricos, entre otros, situación que se ve reflejada en los resultados de la gráfica.

_{Espesor del revoque en lodo base y contaminado [Imagen propiedad de @ennyta]}

Porcentaje de agua y sedimentos

Respecto a los porcentajes de agua y sedimentos en la muestra 1 (lodo base) y la muestra 4 (lodo contaminado), los valores obtenido difieren uno del otro, pero sin ser este margen de diferencia muy alto. En el porcentaje de agua de la muestra 1 es de 92% mientras que en la muestra 4 es de 90%, esta reducción de agua en la muestra 4 es producto de la reacción entre cemento y el agua que forma hidróxido de calcio, lo cual aporta sólidos al lodo; esto se ve reflejado en el aumento del porcentaje de sólidos en las muestras. Esto confirma que la adición de cemento aumenta la concentración de sólidos en un lodo. Este comportamiento se puede observar en la gráfica del porcentaje de agua y sólidos en lodo base y contaminado.

_{Porcentaje de agua y sólidos en lodo base y contaminado [Imagen propiedad de @ennya]}

Fuerza gel

Los rangos teóricos de la fuerza gel están entre 11 lbs/100pie² a 20 lbs/100pie² para los geles iniciales y para los geles finales 13 lbs/100pie² a 27 lbs/100pie²; entonces de acuerdo a los valores obtenidos se puede apreciar que los lodos base oscilan geles iniciales a temperatura ambiente entre 15 lbs/100pie² a 17lbs/100pie² los cual se consideran aptos ya que se encuentran dentro del rango teórico para los geles iniciales.

_{Comportamiento de la fuerza gel 10’’ (gel inicial) con respecto a la temperatura [Imagen propiedad de @ennyta]}

Al igual para los geles finales a la misma temperatura, los cuales oscilan entre 17 lbs/100pie² a 21 lbs/100pie². Se puede notar que se presenta un leve aumento de fuerza gel que por lo general podría generar problemas operacionales, al aumentar la temperatura a 120°F los geles iniciales como se muestra oscilan de 5 lbs/100pie² a 10 lbs/100pie² y los geles finales 7 lbs/100pie² a 13 lbs/100pie², los cuales son muchos menores que los obtenidos a temperatura ambiente, esto ocasionaría una disminución de suspensión de sólidos por parte del fluido; para los lodos base las pruebas a altas temperaturas simula de manera más cercana la condición del pozo.

_{Comportamiento de la fuerza gel 10’ (gel final) con respecto a la temperatura [Imagen propiedad de @ennyta]}

Una baja gelatinosidad podría generar problemas con sedimentación de sólidos en el pozo que incurrirían en pegas mecánicas, atascamientos de tubería durante los periodos de reposo del lodo. Para los lodos contaminados con cemento se obtuvieron valores de geles iniciales a temperatura ambiente de 14 lbs/100pie², lo cual se encuentra dentro del rango teórico al igual que los geles finales a esta temperatura, estos valores oscilan entre 18 lbs/100pie² a 19 lbs/100pie², lo cuales presentan valores similares de fuerza gel inicial en comparación con los sistemas base y se mantienen dentro del rango teórico para proporcionar una adecuada capacidad de suspensión. Al aumentar la temperatura a 120°F se pudieron apreciar geles iniciales entre 7 lbs/100pie² a 8 lbs/100pie² y como geles finales entre 8 lbs/100pie² a 9 lbs/100pie², se puede apreciar que estos valores se salen del rango teórico.

Cabe destacar que se deben mantener rangos adecuados de fuerza gel ya que con una excesiva fuerza gel se ocasionarían problemas operacionales, tales como la retención de aire o gas en el lodo, efectos de succión o suabeo al momento de sacar la tubería, efectos de pistón o surgencia al meter tubería, se tendrán que aplicar mayores presiones de bomba para romper la estructura gel, también geles excesivos generan imposibilidad para correr registros eléctricos. En los gráficos anteriores se observan que a mayores temperaturas la fuerza gel disminuirá y puede que permita el asentamiento de los sólidos en los tanque de superficie, buen rendimiento de las bombas y una adecuada velocidad de circulación. Se concluye que por los cercanos valores obtenidos entre los geles iniciales y finales se desarrollaron geles instantáneos, lo que es realmente beneficioso para la perforación con este tipo de sistemas. Las características excepcionales de los sistemas viscoelásticos aseguran la suspensión superior de ripios y la máxima limpieza del espacio anular, teniendo una capacidad de suspensión tal, que aun en condiciones estáticas minimiza la formación de lechos o camadas de ripios que se forman en el punto de máxima desviación.

Importancia para la industria

El controlar la acumulación de los sólidos en los fluidos de perforación ha ocupado un lugar preeminente dentro de nuestra industria durante muchos años. Una cantidad considerable de tiempo y esfuerzo se han dedicado para analizar los efectos que un nivel exagerado de sólidos tiene sobre la tasa de penetración durante la perforación. He aquí la importancia del desarrollo del sistema viscoelástico para la industria petrolera.

Este fluido representa un avance para la optimización del proceso de perforación al aumentar las tasas de penetración y reducir los daños a la formación, aumentando así la productividad del pozo y reduciendo los costos del proceso.

Conclusiones

• El pH excesivamente alto tiende a degradar los biopolimeros presentes en los sistemas viscoelásticos.

• Los biopolimeros también son afectados por el cemento, durante la completación.

• A mayor temperatura existe leve disminución de la viscosidad plástica.

• Los sistemas viscoelásticos tienen punto cedente siempre mayor que la viscosidad plástica.

• Al aumentar temperatura, disminuyen las propiedades reológicas.

• Estos sistemas deben tener geles instantáneos, pero de fácil ruptura.

Recomendaciones

• Se debe agregar bactericidas debido a que los polímeros utilizados en este sistema con el tiempo se degradan.

• No utilizar arcillas comerciales como viscosificantes porque estos son afectados por los polímeros.

• En estos sistemas se debe tener control del pH para evitar problemas de pérdida de viscosidad o capacidad de acarreo.

• Se debe tener cuidado con el cemento del proceso de cementación de pozos, se debe usar espaciadores para evitar el contacto con el lodo.

• Mantener una alta concentración de sal en el sistema ayudaría a dar estabilidad térmica al sistema.

Referencia bibliográfica

• SALAS, Roberto. “FLUIDOS DE PERFORACIÓN”, Fondo Editorial UDO. 2000.

• Manual “Tecnología Aplicada a los Fluidos de perforación”, C.I.E.D. 1998.

• BAROID, “Manual de fluidos de perforación”. Copyright. Houston 1997. Lodos base agua.

• Manual “Mi- Swaco. Drillig Fluids”.

• Baker Hughes INTEQ. “FLUIDOS MANUAL DE INGENIERÍA”. agosto 1998.

• Angulo, O. "Análisis de la efectividad de un fluido viscoelástico para la perforación en zonas de baja presión". [Documento en línea]. Disponible en: http://revencyt.ula.ve/storage/repo/ArchivoDocumento/cobaind/v2n6/art44.pdf.

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