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QUIMICA DE LODOS
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QUIMICA DE LODOS 1
COMPOSICION Y QUIMICA DE LODOS DE PERFORACION
No existen dos lodos iguales; aún en el caso de que los lodos sean inicialmente muy semejantes, los efectos diversos de los elementos de la formación y el manejo que se haga de los lodos en superficie introducirán diferencias. A pesar de ello, es posible establecer amplias clasificaciones de los lodos. Es evidente que existe una amplia variedad de lodos. El lodo apropiado para un pozo es aquel que es más económico en la perspectiva total de seguridad, costos de perforación y, eventualmente, costos de producción. (Un bajo costo inicial del lodo puede a la larga resultar muy costoso si da por resultado problemas posteriores en la perforación o en la producción. Los factores que se han discutido anteriormente no son de la misma significación en cada pozo. Las condiciones locales ejercen un impacto importante sobre la elección del lodo más económico para cada pozo en particular. El término “fluido” incluye a los líquidos y los gases. Un fluido de perforación que es fundamentalmente líquido se denomina lodo de perforación o simplemente un lodo. El aire, el gas y la espuma son fluidos neumáticos de perforación. Los fluidos neumáticos de perforación, cuyo uso ha ido creciendo, se emplean en casos especiales. La parte líquida de un lodo es, generalmente, agua, petróleo, o una mezcla estable de ambos. Una emulsión es una mezcla en la que un líquido está suspendido dentro de otro, en forma de glóbulos muy pequeños. El líquido suspendido (en suspensión) es la fase interna de la emulsión; el líquido dentro del cual esa fase interna está suspendida recibe el nombre de fase externa o fase continua. Un lodo de base petróleo se caracteriza porque su parte líquida continua es petróleo o, más frecuentemente, una emulsión de agua-en-petróleo (llamada una emulsión inversa). Si la porción líquida continua es el agua, se trata de una emulsión de petróleo-en-agua y en ese caso el lodo es de base agua. Los lodos de base agua son los más frecuentemente empleados. Varían desde los lodos nativos (no tratados), pasando por los ligeramente tratados, hasta los más intensamente tratados, los lodos inhibitorios de base agua. Los lodos inhibitorios reducen, o inhiben, la interacción entre el lodo y ciertas formaciones perforadas. Los lodos de base petróleo son de por sí inhibitorios. Los lodos de base agua pueden ser inhibitorios si contienen cationes, o agentes encapsulantes, o ambos, en cantidades suficientes. El amplio rango de variedades o tipos de lodos dificulta cualquier discusión de
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QUIMICA DE LODOS orden general sobre su composición. El agua, el petróleo (o ambos) necesarios para formar el volumen de lodo se añaden desde la superficie (los costos de transporte hacen necesario que los fluidos utilizados para este propósito puedan obtenerse en las cercanías del pozo). Una segunda fuente importante de los componentes del lodo son las formaciones perforadas. Pequeñas partículas sólidas derivadas de los recortes de desprendimientos o de productos de la pared del pozo entran a formar parte del lodo. Cuando se están perforando formaciones porosas a menudo se liberan líquidos o gases; ellos pueden infiltrarse o aún fluir en el lodo, si esas formaciones son permeables. En las aguas de formación es común encontrar sales ionizadas. Las sales también entran en el lodo cuando se perforan formaciones salinas. Para modificar las características de los lodos se emplean muchos aditivos. Los agentes densificantes (tales como barita, carbonato de calcio y sales solubles) aumentan la densidad de los lodos, ayudando con ello a controlar las presiones subterráneas y a sostener las paredes del pozo. Las arcillas viscosificantes, polímeros y agentes emulsionantes líquidos hacen que los lodos se espesen y así aumentan su capacidad para transportar y suspender los recortes y los materiales sólidos densificantes. Por otro lado, se pueden utilizar dispersantes para que los lodos se hagan más fluidos, reduciendo de esa manera las presiones de succión, los efectos de pistón y los problemas de presión de circulación. Se emplean también arcillas, polímeros, almidones, dispersantes y materiales asfálticos para reducir la filtración del lodo a través de la pared del pozo; esto reduce a un mínimo el daño a las formaciones subterráneas, los problemas de aprisionamiento diferencial y los problemas en la interpretación de perfiles de cable. A veces se añaden sales para proteger ciertas formaciones subterráneas o para reducir la susceptibilidad del lodo a una contaminación futura, así como para aumentar la densidad. Otros aditivos de lodo incluyen lubricantes, inhibidores de corrosión, sustancias químicas que ligan a los iones de calcio contaminantes (impidiendo sus efectos), floculantes para ayudar en la remoción de recortes al llegar el lodo a la superficie y una vasta variedad de otros materiales. La soda cáustica se añade a menudo a los lodos para incrementar su pH, mejorando así la función de los dispersantes y minimizando la corrosión. También pertenecen a la categoría de los aditivos sustancias tales como los preservativos, los bactericidas, los emulsionantes y los ampliadores de temperatura; su función principal es mejorar el rendimiento o desempeño de otros aditivos. 1.1 FASES DE LOS LODOS Un lodo es, típicamente, una suspensión de sólidos y, posiblemente también de líquidos o gases, en un líquido. El líquido en el cual todos esos materiales están suspendidos es la fase continua del lodo. Las partículas sólidas o los glóbulos líquidos en él suspendidos constituyen la fase discontinua del lodo. Por ejemplo, el agua es la fase continua y la arcilla es la fase discontinua (interna) en un lo de
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QUIMICA DE LODOS agua y arcilla. En una emulsión inversa el petróleo es la fase continua; los glóbulos de agua son la fase discontinua. Hay razones para que distingamos esas fases. La razón principal para la viscosidad de un lodo hay que buscarla en la fase discontinua. Un aumento en la concentración de la fase continua tiende a adelgazar ese lodo. El filtrado proviene en su mayor parte de la fase continua, mientras que el revoque se forma a partir de la fase discontinua. La fase continua de un lodo es siempre líquida. En cambio, en la fase discontinua se pueden hallar sólidos, líquidos y/o gases. 1.1.1 FASE CONTINUA DE LOS LODOS La fase continua de un lodo de base agua es agua. Las sales disueltas en el agua son también parte de la fase continua. Los cationes Na+ (sodio) y Ca++ (calcio), y el anión OH- oxihidrilo son de particular importancia para el comportamiento de los lodos de base agua. Si la concentración de los iones Na+ o Ca++ es suficientemente alta, ello provoca una inhibición de la hidratación de las arcillas añadidas al lodo. Por otro lado, si esos cationes entran en la fase continua de un lodo en el cual las arcillas ya están hidratadas, se produce una floculación inmediata, a la que sigue, después de algún tiempo, una deshidratación de las arcillas. Esto se explica detalladamente al discutir las arcillas más adelante en este mismo capítulo. Los cationes K+ (potasio) y NH4+ (amonio), cuando se añaden deliberadamente a la fase continua de ciertos lodos, producen resultados similares. La concentración de iones oxhidrilo presente en un lodo se refleja en la medición de la alcalinidad Pf y en el pH. Cuantos más iones oxhidrilo estén presentes, mayores serán la Pf y el pH. Los iones oxhidrilo mejoran la dispersión de las arcillas, reducen el efecto de muchos contaminantes e inhiben la corrosión. Algunos ingredientes de los lodos son sólidos en su forma seca, pero se disuelven cuando están en el lodo, para entrar a formar parte de la fase continua. La sal común en un lodo de base agua constituye un ejemplo. La sal se disuelve por completo, y se ioniza en el agua, hasta llegar al punto de saturación. Por arriba del nivel de saturación la sal se mantiene en estado sólido y se dispersa como sólido en la fase discontinua del lodo. La fase continua de un lodo de base petróleo es el petróleo. El tipo de petróleo es importante.
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QUIMICA DE LODOS 1.1.2 FASE DISCONTINUA DE LOS LODOS Los glóbulos de petróleo emulsionados en un lodo de base agua viscosifican el lodo y reducen su densidad. El petróleo del lodo puede originarse en las formaciones perforadas. Más a menudo, cuando se encuentran cantidades significativas de petróleo en un lodo de base agua, se trata de petróleo añadido deliberadamente para reducir la fricción mecánica, para reducir la filtración a través de las paredes, para liberar una tubería aprisionada por presión diferencial o, en casos poco frecuentes, para producir un lodo más liviano que el agua. El agua emulsionada en un lodo de base petróleo lo hace más viscoso. La proporción petróleo/agua en un lodo de base petróleo debe ser cuidadosamente controlada. La entrada de agua de formación en este tipo de lodo lo hace más viscoso, y, si es suficientemente abundante, lo desestabiliza. El aire o el gas que penetran y se distribuyen en un lodo, provocan su espesamiento y una diminución de su densidad. (Debido a la comprensibilidad de los gases, la reducción de la densidad en el pozo no es igual ala que puede parecer en la superficie). Algo de aire penetra inevitablemente en el lodo como consecuencia de las operaciones de superficie (mezcla, conexiones, etc). También las formaciones perforadas pueden liberar gas en el lodo. Algunos sólidos atraen moléculas de líquido provenientes de la fase continua. La bentonita, por ejemplo, se hidrata en lodos de agua dulce hasta alcanzar un volumen que es aproximadamente 10 veces el que tenía en estado seco. Esta “agua rígida) entra a formar parte de la fase discontinua y explica, en parte, la eficacia de la bentonita como emulsionante. FASE SOLIDA DE LOS LODOS Los sólidos desempeñan un papel tan importante en la condición y mantenimiento de un lodo que les asignamos una fase aparte, aun cuando todas las partículas sólidas que hay en un lodo pertenecen a su fase discontinua. La inestabilidad de un lodo aumenta a medida que el porcentaje de sólidos (en volumen) se eleva. El tratamiento químico puede incrementar la capacidad de un lodo para tolerar sólidos, pero sólo hasta cierto punto. Muchos problemas de lodos son causados por el fracaso en controlar los sólidos en forma adecuada. Los sólidos que se hidratan o que tienen numerosas cargas eléctricas de superficie expuestas, se denominan sólidos activos en los lodos de base agua. Otros sólidos, como por ejemplo la barita, son comparativamente inertes. La mayoría de los sólidos (con la excepción de algunos aditivos especializados de lodos de base petróleo) son inertes en lodos de base petróleo. Un lodo cuyo nivel total de sólidos no es excesivo puede, sin embargo, contener un exceso de sólidos activos.
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QUIMICA DE LODOS El tamaño de las partículas sólidas en el lodo tiene también importancia. Las partículas de menos de 2 micrones se clasifican como coloides (un micrón es un millonésimo de metro; hay aproximadamente 25400 micrones en una pulgada). Su pequeño tamaño hace que sean muy sensibles a sus cargas eléctricas de superficie, y por lo tanto, las partículas coloidales tienden a parecer como los sólidos más activos. Las partículas cuyo tamaño es superior a 74 micrones son clasificadas como arena API. La abrasividad de esas partículas da por resultado el desgaste de las bombas, de las brocas y de las herramientas. El término limo se emplea habitualmente para describir las partículas que miden más de 2 micrones pero menos de 74. La velocidad de penetración decrece a medida que aumenta el número de partículas sólidas en un lodo. El efecto de los sólidos sobre la estabilidad del lodo ya se ha mencionado. Por consiguiente, un sólido es deseable solamente en el caso de que su contribución positiva a las propiedades del lodo sea tan grande como para justificar su presencia. Esto significa que el sólido debe ser extraordinariamente eficiente en la contribución que hace al proceso. La barita y la bentonita, si se usan en forma apropiada, satisfacen ese criterio. Los sólidos de perforación generalmente no lo satisfacen. Por consiguiente, los sólidos de perforación son indeseables y deben ser eliminados del lodo. La importancia de este aspecto nunca podrá exagerarse. 1.2 QUIMICA BASICA La concentración de sólidos en un lodo puede controlarse por el empleo apropiado de equipo para la remoción mecánica de sólidos y mediante la dilución con agua. Sin embargo, la fase acuosa es más compleja y se necesitan controles mucho más complicados para retener los balances iónicos deseables. El control del balance iónico de la fase acuosa se complica ante todo por el hecho de que los ensayos químicos realizados en dicha fase son solamente de naturaleza semi-cuantitativa. Por consiguiente, siempre queda una duda sobre cuan exactos o precisos son los resultados. La mayoría de los ensayos químicos proveen una información suficiente para la interpretación del comportamiento del lodo desde un punto de vista químico. Sin embargo, hay ocasiones en que parece haber un desequilibrio sin que los ensayos químicos reflejen una indicación sobre la existencia de posibles causas del problema. Esto se observa comúnmente en los análisis para carbonatos y bicarbonatos, y la causa de la dificultad en los ensayos parece residir en el tipo de ambiente alcalino en que se encuentran las sustancias. Si la alcalinidad de un lodo fuera atribuible sólo a los iones oxhidrilos, sería mucho más fácil relacionar las pruebas químicas con el control de la viscosidad deseable, la pérdida de filtrado, la inhibición, la corrosión y de la solubilidad de los dispersantes orgánicos. Sin embargo, esta situación rara vez ocurre en los lodos. Por lo tanto, la química de los lodos resulta más complicada.
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QUIMICA DE LODOS La base para una comprensión completa de los problemas relacionados con los lodos depende principalmente de nuestra comprensión de su química. Esta química se hace considerablemente compleja debido a la interacción y reacción de varios iones con los sólidos. Así la simple química de la fase acuosa no es capaz de darnos una predicción correcta del comportamiento iónico en los sistemas de lodo. Para comprender la química del agua, es necesario considerar la estructura atómica antes de intentar ninguna otra cosa. El átomo puede ser definido como la menor partícula de un elemento que puede entrar en combinación química. Los átomos están compuestos de dos unidades principales: el núcleo, que comprende el centro del átomo; y las órbitas de electrones en las cuales giran estos últimos. El número del átomo puede todavía subdividirse en dos partes: los patrones, constituidos por partículas cargadas eléctricamente, con carga positiva; y los neutrones que son partículas con carga igual a cero. El núcleo contribuye a formar casi toda la masa del átomo, o sea su peso atómico. Este peso atómico redondeado al entero más próximo, representa el número de neutrones. Para demostrar como funciona todo esto, examinemos un átomo muy común: Carbono:
Peso atómico = 12 Número atómico = 6
Realizado la operación: 12 - 6
=
6 neutrones
Los electrones son las partículas atómicas con carga negativa. El número de electrones en las órbitas u orbitales será igual al número de protones, o sea al número atómico. Por lo tanto, la carga neta o global de un átomo es cero. Los electrones están dispuestos en diferentes órbitas ubicadas a diversas distancias del núcleo. Un empleo adecuado de la tabla periódica nos permitirá determinar dos factores importantes con respecto a los diversos átomos. Esos dos factores, que pueden ser muy útiles, son la valencia y la serie de reactividad. La valencia está determinada por el número de electrones en la capa más externa y se encuentra leyendo directamente a través de la tabla. En general, si la última capa contiene menos de 4 electrones, ella sirve como prestadora de electrones y se encuentra en la parte izquierda de la tabla periódica. Si la capa externa Contiene más de cuatro electrones, recibe electrones en préstamo y su valencia es negativa. Estos átomos están ubicados en la mitad derecha de la tabla periódica. Una reacción es un cambio químico en el que los átomos o moléculas exhiben propiedades químicas diferentes de las que poseían antes que ocurriera la
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QUIMICA DE LODOS reacción. Cuanto menor es el número de electrones que un átomo debe prestar o recibir en préstamo para quedar satisfecho al final de la reacción, mayor es su actividad química. Por esa razón el hidrógeno, el fluor y el cloro se incluyen entre los muy reactivos. La serie de reactividad nos permite determinar cuáles átomos reaccionarán en orden de su tendencia a hacerlo.
1.2.1 QUIMICA DE LAS ARCILLAS Las arcillas son materiales plásticos, de grano fino, que ocurren naturalmente en el suelo. Las partículas de arcilla son de naturaleza coloidal. En su estructura, en forma de plaquetas, se encuentran comúnmente átomos de silicio, de aluminio, de magnesio, de hidrógeno y de oxígeno. La diferente disposición de estos átomos en las moléculas y la presencia de pequeñas cantidades de sodio, calcio u otros cationes explican la amplia variedad de arcillas conocidas. Algunas arcillas, en particular las montmorilonitas, atraen y retienen moléculas de agua. Estas arcillas se llaman hidrofílicas. Las arcillas que no atraen el agua se llaman hidrofóbicas. Si bien el tamaño coloidal de sus partículas hace que todas las arcillas sean activas en lodos de base agua, el grado de actividad varía de una a otra. Por consiguiente, también varía el efecto viscosificante de diferentes arcillas. El rendimiento API de las arcillas se define como el número de barriles de lodo de 15 cps que se pueden producir por la adición de una tonelada de arcilla seca a agua dulce (las atapulguitas se evalúan en agua saturada de sal). La viscosidad a que nos estamos refiriendo aquí es la “viscosidad aparente” del lodo, que se obtienen tomando la mitad de la lectura a 600 rpm en el Viscosímetro FANN VG. Como muestra la figura, 15 cps es un valor crítico. Las adiciones de arcilla ejercen poco efecto sobre la viscosidad hasta que uno se acerca a ese punto; de ahí en adelante, pequeñas adiciones producen marcados efectos sobre la viscosidad. Las arcillas más activas son las montmorilonitas y las atapulguitas. MONTMORILONITA: Las montmorilonitas son arcillas hidrofílicas. La montmorilonita sódica o bentonita es el viscosificador más importante para lodos de base agua dulce, y es probablemente el agente más importante entre los que se emplean para control de pérdida de filtrado. El API ha establecido ciertos estándares que debe cumplir la bentonita comercial para su empleo en lodos. Ellos prescriben un rendimiento no inferior a 90 bbl/ton en agua dulce, con una pérdida de filtrado API no mayor que 13,5 cm 3/30 min y un punto de cedencia no mayor que tres veces la viscosidad plástica. Además, el material seco no debe contener más del 10% de humedad, y no más del 4% de la bentonita debe quedar retenida en un cedazo de malla 2000 en el “análisis granulometría húmeda”. El propósito de estos estándares es asegurar la pureza,
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QUIMICA DE LODOS finura de grano y manejo adecuado del producto. La montmorilonita cálcica, a menudo llamada sub-bentonita, se hincha hasta dos o cuatro veces su volumen seco original al ponerla en agua dulce. La sub-bentonita se utiliza a veces para mejorar la distribución de tamaño o partículas en los lodos con el objeto de reducir la pérdida de filtrado. La bentonita rinde 90 a 100 barriles por tonelada (en agua dulce), mientras que la sub-betonita rinde solamente 40 a 50 bbl/ton. La montmorilonita está compuesta de láminas planas y delgadas innumerables. Cada una de esas láminas tiene tres capas: una laminilla de alúmina con dos laminillas de sílice dispuestas como un emparedado (sándwich). A menudo, por efecto de los agentes atmosféricos y del tiempo, el silicio en las laminillas externas ha sido reemplazado por aluminio trivalente, y el aluminio de la laminilla interna ha sido reemplazado por un metal bivalente, como el magnesio. Esta sustitución da por resultado que la lámina o plaqueta global tenga un fuerte desbalance negativo, el que es parcialmente compensado por cationes como el Na+ o el Ca++ que mantienen flojamente unidas las laminillas entre sí. Estos cationes de ligadura determinan el tipo de la montmorilonita. Si embargo, son reemplazables por otros cationes. En particular, los iones sodio de la bentonita pueden ser reemplazados por iones calcio, lo que la convierte en sub-bentonita, con la consiguiente reducción en su habilidad para retener agua. Además de las cargas mencionadas más arriba, las partículas de montmorilonita poseen ciertas cargas positivas y negativas en el borde las plaquetas como consecuencia del hecho de que las mismas son el producto de la ruptura de láminas más grandes. Se cree que algunos dispersantes actúan por neutralización de uno u otro de esos dos tipos de cargas. Las partículas se repelen entonces entre sí, evitando la formación de enlaces de estructura (agregación) dentro del lodo. Cuando se coloca montmorilonita seca en agua dulce, algunas de las moléculas de agua se fijan entre las láminas de arcilla, produciendo hidratación. El número de moléculas de agua que se fija depende de cuan juntas estén las láminas por efecto de los cationes de ligadura (y de la energía de hidratación de los propios cationes). La bentonita se hidrata tremendamente porque los iones sodio unen las laminillas de arcilla en forma muy débil, permitiendo que se fije una gran cantidad de agua entre las láminas y entre las laminillas, La montmorilonita cálcica no se hidrata tanto porque los iones calcio unen las láminas entre sí con mucho menor espacio intermedio. Si se añade montmorilonita seca a agua salada o dura, los cationes presentes en el agua satisfacen el desequilibrio negativo natural de esas arcillas y la hidratación es mínima. La bentonita es un excelente agente reductor de pérdida de filtrado. Las partículas
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QUIMICA DE LODOS hidratadas de bentonita se deforman bastante fácilmente. Las láminas de la partícula hidratada se superponen entre sí contra la pared del pozo durante la filtración. El revoque que se produce es resistente, delgado, compresible y muy eficaz para reducir la invasión de filtrado hacia las formaciones. La bentonita es siempre algo útil en reducir la pérdida de filtrado, aún cuando no se hidrate. Eso se debe al tamaño coloidal de sus partículas y a su forma de plaquetas planas. Cuando se flocula un lodo de agua dulce, la bentonita no contribuye mucho al control de pérdida de filtrado. La adición de cationes a lodos de agua dulce que contengan arcillas montmoriloniticas produce una floculación inmediata, en la cual las partículas de arcilla cargadas negativamente, se floculan por contacto con los cationes introducidos. Las partículas de arcilla forman flóculos irregulares al agruparse. El carácter irregular de los flóculos no facilita la deposición de un buen revoque. Con la floculación, se produce un brusco aumento en la viscosidad del lodo. De todos modos después de cierto tiempo, si hay cationes presentes en cantidades suficientemente grandes, los mismos se introducen entre las láminas de las partículas individuales de arcilla; así se produce deshidratación de las arcillas y la viscosidad del lodo disminuye considerablemente. Un fenómeno algo diferente puede ocurrir a veces, dando lugar a resultados similares sobre el cambio inicial de la viscosidad. Los resultados pueden ser similares, pero se deben a distintos iones y a localizaciones diferentes de las cargas. Estas mismas arcillas que poseen una carga de superficie negativa son láminas extensas y continuas tal como se encuentran en los depósitos de la naturaleza. Sin embargo, en un lodo, esas láminas se rompen por corte mecánico, como pasa, por ejemplo, en la trituración. Esta ruptura de las láminas de sílice-alúmina-sílice deja expuestas las valencias de ligadura en los bordes de las plaquetas. Además, el borde de las partículas en los sitios de ligadura catiónica tendrá la influencia de la carga positiva de los cationes. De esta manera, los bordes de las partículas de arcilla presentan a menudo una capa positiva de cargas. Los aniones tales como CO3, HCO3, SO4, etc. , pueden encontrar entonces sitios para tratar de equilibrar las cargas. El resultado es una atracción entre las partículas de arcilla y los aniones en sus bordes. De ahí resulta un aumento de viscosidad, pues se produce una asociación con agua por parte de las partículas agregadas de arcilla. Esta condición puede observarse a veces en las perforaciones. Es necesario ejecutar un estudio basado en ensayos cuidadosos con el fin de efectuar un diagnóstico correcto, dado que los síntomas son similares a los de la floculación catiónica. Sin embargo, a pesar de la similitud y de las dificultades para diferenciar ambas condiciones, el tratamiento apropiado es completamente diferente.
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QUIMICA DE LODOS ATAPULGUITA La atapulguita es una arcilla con estructura catenaria, formada por un aluminosilicato de magnesio hidratado cuya aplicación principal en lodos ha sido la de viscosificante para lodos que contienen demasiada sal para que la bentonita se pueda hidratar en forma apropiada. Es un excelente viscosificante pero, a diferencia de la bentonita, no contribuye al control de filtrado. Una buena atapulguita rinde unos 150 bbl/ton. Físicamente, la atapulguita tiene una estructura similar a bastoncillos en vez de la estructura plana, en forma de plaquetas, de la montmorilonita. Bajo una presión de corte, los bastoncillos tienden a partirse longitudinalmente. Las “agujas” que resultan están cargadas eléctricamente y se acumulan de una manera típica, extremo a extremo, creando un aspecto entrelazado, en montones de agujas fibrilares. Las buenas características de la atapulguita como viscosificante y su pobreza en el control de filtrado se deben precisamente a ese agrupamiento o “floculación como espigas en un pajar”. Se requiere una considerable acción de corte para hacer astillas a los bastoncillos de atapulguita. Las principales fuentes de esa acción de corte son el embudo, las pistolas de lodo y las boquillas de la broca. La atapulguita no capta agua intersticial como lo hace la bentonita. Por consiguiente, no se hidrata de la misma manera y los polielectrolitos (así como los dispersantes) no tienen el mismo efecto que en los sistemas con bentonita. Las especificaciones del API requieren que la atapulguita rinda por lo menos 100 bbl/ton en agua saturada de sal. La humedad no debe exceder del 16% y no debe quedar retenido más de 8% en un análisis de granulometría húmeda realizada con un cedazo de malla 200. La sepiolita, un pariente de la atapulguita dentro de la familia de las arcillas, se ha empleado en algunos pozos. Se comporta más o menos lo mismo que la atapulguita, pero tiene ventajas especiales a temperaturas muy altas. 1.2.2 AGENTES DENSIFICANTES El agente densificante de lodos de mayor importancia es la barita. Una alternativa para la barita (u otro material densificante sólido insoluble) es en algunos casos el empleo de sales solubles. La saturación con cloruro de sodio (sal común) aumenta la densidad del agua a 10.0 ppg; si la saturación es con cloruro de calcio la densidad lograda será de 11,8 ppg. Pueden alcanzarse densidades de 16,0 ppg con cloruro de zinc o con bromuro de calcio, pero esos materiales son muy caros para su utilización en lodos. La ventaja de las sales solubles como agentes densificantes es que los aumentos de densidad se logran sin aumentar el
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QUIMICA DE LODOS contenido de sólidos del lodo. Sin embargo, debe tenerse en cuenta el efecto de las adiciones de sales sobre otras propiedades. A veces la densidad deseada se consigue mediante una combinación de sales y otros agentes densificantes. BARITA. La barita, un mineral de sulfato de bario (BaSO4) que se encuentra en la naturaleza como tal, es el agente densificante que se emplea más comúnmente para lodos. Su peso específico de 4,2 a 4,3 lo hace mucho más denso que la mayoría de los sólidos de perforación. (Los sólidos de perforación tienen generalmente un peso específico cercano a 2,6). Tiene además la ventaja de ser inerte y no abrasivo. La densidad de los lodos puede ser aumentada hasta 20 ppg o más con barita. El mineral de barita se tritura y se muele para su uso en lodos. El tamaño de partícula es importante. Las partículas grandes requieren un lodo espeso para quedar en suspensión y, además, serán removidas en la zaranda vibratoria. Por otra parte, las partículas muy finas son también indeseables porque determinan la formación de una gran superficie total de sólidos, la que queda expuesta a la fase líquida, lo que a su vez puede causar viscosidad y resistencia de gel excesivas. Las especificaciones del API para la barita requieren un peso específico no inferior a 4,20. Los metales alcalino-térreos solubles no deben exceder de 250 ppm en la prueba de dureza total. Al menos 5% debe quedar retenida en un cedazo de malla 325 y no más del 3% debe quedar retenida en el cedazo de malla 200 en el ensayo de granulometría húmeda. GALENA En casos raros se necesitan densidades superiores a las que se pueden obtener con barita. La galena, que es un sulfuro de plomo nativo, tiene un peso específico de 6,5 a 6,7. Su empleo reduce el volumen total de sólidos requeridos en lodos densos y permite la obtención de lodos con densidades hasta 35 ppg. La magnetita, un óxido de hierro con un peso específico de 5,1 es otro sólido de alta densidad que se utiliza a veces cuando se necesitan densidades excepcionalmente altas en el lodo. CARBONATO DE CALCIO Las partículas sólidas en un lodo pueden reducir la permeabilidad de las zonas productivas por alojarse dentro de ellas. Esto afecta adversamente la eventual producción del pozo. El carbonato de calcio (CaCO3) es un sólido inactivo cuando están en un lodo, pero se disuelve en ácidos. Las partículas de carbonato de calcio alojadas en los poros de las zonas productivas pueden ser removidas por medio de tratamiento con ácido, para lograr una mejor producción. Otra característica deseable del carbonato de calcio es que el revoque formado por él se remueve bastante fácilmente de la superficie de las formaciones productivas en
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QUIMICA DE LODOS el momento de iniciarse el flujo desde las formaciones. La aplicación principal del carbonato de calcio en los lodos es como agente densificante; sin embargo, su eficacia es limitada debido a su baja densidad. El peso específico del carbonato de calcio es 2,7. El carbonato de hierro, con un peso específico de 3,8, es más pesado que el carbonato de calcio y tiene propiedades similares; sin embargo se emplea raramente por su elevado costo. 1.2.3 POLIMEROS Técnicamente, un polímero es una sustancia que consiste en dos o más unidades químicas (los llamados monómeros) de los mismos elementos en la misma proporción. El compuesto debe poderse distinguir de un monómero por un peso molecular más elevado y por sus diferentes propiedades físicas. De acuerdo con esta definición, el término “polímero” cubre una amplia gama de sustancias, algunas de las cuales ocurren en la naturaleza y otras se producen sintéticamente. En relación con los lodos, la palabra “polímero” se acepta como el término de referencia para cierta clase de compuestos orgánicos que, en cantidades relativamente pequeñas, imparten aumentos significativos de viscosidad o proveen control de pérdida de filtrado (a menudo ambas cosas). En algunos casos se han empleado también para encapsular los sólidos de perforación (inhibiendo de esa manera la hidratación de los mismos) o para flocular sólidos de muy pequeño tamaño de partícula en la línea de descarga (esperando así poder remover los flóculos que se forman). Algunos de esos productos son parcialmente solubles; sin embargo desde el punto de vista de un tratamiento de lodo, parecería que lo mejor fuera considerar a los polímeros como parte de la fase sólida del lodo. 1.2.4 ADITIVOS SOLIDOS MISCELANEOS FIBRAS DE AMIANTO (ASBESTO). Las fibras de amianto o asbesto se adicionan algunas veces a los lodos para aumentar su capacidad para arrastrar los recortes hasta la superficie. Son eficaces en combinación con arcillas u otros viscosificantes, o cuando se emplean separadamente. Cuando se someten a fuerzas de corte, las fibras quedan suspendidas en el lodo en forma de cepillo irregular, de una manera similar a la de la atapulguita. Sin embargo, en el caso de las fibras de amianto, el haz de fibras es el resultado del entrelazamiento físico de las fibras, mientras que en la atapulguita se debe a atracción eléctrica entre las agujas con carga eléctrica. Al cabo de un tiempo, las fibras de amianto se descargan y se hacen menos efectivas. Debe tenerse especial cuidado en el manejo del amianto para evitar la inhalación de las fibras. 1.2.5 MATERIAL DE PÉRDIDA DE CIRCULACION Muchos materiales se han empleado para corregir o prevenir la pérdida de lodo como tal hacia las formaciones perforadas. Dichos materiales son generalmente
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QUIMICA DE LODOS sólidos inertes con tamaños de partícula suficientemente grandes como para servir de ayuda en el relleno (sello) de fracturas en las formaciones. Los tamaños de partícula varían, pero están por encima de 70 micrones. 1.3 INTERACCIONES QUIMICAS La introducción de sustancias químicas agregadas a un lodo puede afectar considerablemente las propiedades del mismo. Algunas de esas sustancias químicas se adicionan en la superficie. Otras penetran en el lodo a partir de las formaciones perforadas. Se considerarán aquí las más comunes de esas sustancias. La discusión en lo que resta de este capítulo se referirá a los lodos de base de agua. Los iones Na+ (sodio), Ca++ (calcio), OH+ (oxhidrilo), CO3= (carbonato) y HCO3- (bicarbonato) son particularmente importantes en la química de los lodos de base agua. Otros iones, tales como CL-, SO4=, SO3=, PO4= y S=, pueden también jugar un papel importante. Para contrarrestar los efectos nocivos de esos iones de emplean dispersantes químicos. La mayoría de los dispersantes tienen un bajo pH y una baja Pf. Frecuentemente, cuando se emplean dispersantes se añade soda cáustica, con el objeto de mantener el pH. FOSFATOS: Los fosfatos complejos son el tetrafosfato de sodio (comúnmente llamado STP) y el pirofosfato ácido de sodio (SAPP). Actúan como reductores altamente eficientes de la viscosidad siempre que las temperaturas del lodo permanezcan por debajo de 180 °F (82°C). A temperaturas por encima de 180°F, dichos fosfatos se convierten en ortofosfatos, que ejercen un efecto floculante, de modo que el lodo se espesa en vez de hacerse más fluido. Un efecto independiente de la adición de estos fosfatos al lodo es el secuestro de iones calcio. La temperatura no es un factor en la capacidad de los fosfatos para remover los iones calcio. SAL COMUN: La sal común (NaCl) puede penetrar en el lodo a partir de diversas fuentes. Se ioniza dando Na+ y Cl- en la fase continua (a menos que haya sobrepasado el punto de saturación). El nivel de sal en el lodo se mide por medio del ensayo de cloruros. Sin embargo, el ion sodio es el que ejerce un mayor impacto sobre el lodo. Un gran número de iones sodio son liberados en el lodo cuando se perfora sal, cuando fluye agua salada dentro del pozo o cuando se añade sal desde la superficie. Los iones cloro se consideran desde el punto de vista de sus efectos, pero desde el punto de vista del tratamiento de lodo, el ion sodio es de la máxima importancia. La sal constituye un serio contaminante en los lodos de agua dulce. Las partículas de arcilla, negativamente cargadas, se agrupan alrededor de los iones sodio produciendo aumentos marcados en las viscosidades, en las resistencias de gel y en las pérdidas de filtrado. La gravedad de este efecto disminuye si el nivel de sólidos es bajo, si se ha inhibido la hidratación de las arcillas, si hay dispersantes activos en el lodo o si el aumento de sal es gradual. El tratamiento de la
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QUIMICA DE LODOS contaminación con sal consiste en la adición de agua, de soda cáustica y dispersantes. Los dispersantes de tipo lignosulfonato son particularmente eficaces para combatir la contaminación con sal. El tiempo es también un factor. El impacto inicial producido por la contaminación con sal, termina por hacerse menos intenso a medida que los iones sodio se retiran de los bordes entre las láminas de las partículas de arcilla. Las viscosidades entonces decrecen, y puede producirse deshidratación de las arcillas. La sal disminuye el pH de los lodos. Los iones sodio desplazan a los iones hidrógeno en la estructura de las arcillas. El aumento en la concentración de iones hidrógeno es una consecuencia, y eso determina directamente una disminución del pH. ANHIDRITA Y YESO: La anhidrita (CaSO4) se presenta en filamentos delgados o en secciones masivas en muchos lugares de la tierra. Cuando se perforan esas formaciones, la anhidrita se ioniza en iones Ca++ y SO4= en la fase continua del lodo. El incremento en iones calcio se pone en evidencia en el ensayo de calcio (dureza total del filtrado). El efecto de perforar formaciones con anhidrita sobre lodos de agua dulce es similar al que se produce al perforar secciones con sal, excepto que un número relativamente pequeño de iones calcio puede causar tanto daño como un ingreso mucho mayor de iones sodio. Aquí también se reduce el daño si el nivel de sólidos en el lodo es bajo o si la hidratación de las arcillas ha sido inhibida. De la misma forma que en la contaminación con sal, las adiciones de agua, de soda cáustica y de dispersantes ayudan para que las propiedades del lodo se recuperen. Se puede también adoptar otro enfoque; el lodo puede ser tratado con sustancias químicas que reaccionan con los iones calcio y que los remueven de la fase continua. La remoción de iones calcio de la fase continua de un lodo de base agua es a menudo deseable. Además de su impacto inicial, los iones calcio dificultan el control de la pérdida de filtrado y, a altas temperaturas, pueden causar una gelificación excesiva. El carbonato de sodio y el bicarbonato de sodio precipitan los iones calcio, eliminándolos de la fase continua. Los fosfatos complejos, STP (tetrafosfato de sodio) y SAPP (pirofosfato ácido de sodio) secuestran los iones calcio, haciendo que no actúen como tales. Un tratamiento en exceso con cualquiera de esas sustancias puede ser nocivo para las propiedades del lodo, y por lo tanto, debe evitarse. Cuando se conoce la ubicación de las vetas de anhidrita, el tratamiento del lodo con soda cáustica, bicarbonato de sodio o alguno de los fosfatos, en pequeñas cantidades, antes de perforar, reduce el impacto de la anhidrita. Esto se debe a que los iones calcio contaminantes son removidos de la fase continua a medida que entran en ella. Cuando ya están presentes en el lodo grandes concentraciones de iones calcio o cuando secciones masivas de anhidrita tienen que ser perforadas, la remoción de
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QUIMICA DE LODOS iones calcio será ineficaz, y posiblemente indeseable. El uso de un lodo inhibitorio capaz de tolerar el calcio es habitualmente lo mejor en este caso. El pH del lodo disminuye cuando se perfora anhidrita. Esto se debe en parte a que los iones calcio desplazan los iones hidrógeno en la estructura de las arcillas. A valores de Pf superiores a 1,0 los iones calcio de la anhidrita se combinan con los iones oxhidrilo para formar cal. Esta reacción baja rápidamente la Pf. El yeso (CaSO4 – 2H2O) es químicamente idéntico a la anhidrita, excepto por el agua de cristalización presente en él. Afecta al lodo de la misma manera que la anhidrita. A veces hay que perforar yeso, especialmente a poca profundidad. En casos especiales se añade yeso al lodo desde la superficie. CEMENTO: El cemento se introduce en el pozo cuando se instala el revestimiento. Ocasionalmente se emplea también para corregir serios problemas del pozo. En esos casos, cuando el cemento es perforado, iones calcio y oxhidrilo penetran en la fase continua del lodo. El aumento de la concentración de esos iones se pone en evidencia en los ensayos de calcio, Pf y pH. Si el cemento está fresco cuando entra en contacto con el lodo, se liberarán más iones que si hubiera fraguado totalmente. El efecto del cemento sobre el lodo es similar al efecto de la anhidrita. La diferencia principal es que al perforar cemento el pH se eleva, mientras que al perforar anhidrita el pH baja. El tratamiento para la contaminación con cemento es el mismo que el de la contaminación con anhidrita, salvo que, en el caso del cemento, no se suele añadir soda cáustica (dado que los iones oxhidrilo son suministrados por el mismo cemento). El hecho de que habrá que perforar cemento es conocido de antemano. El pretratamiento, o tratamiento preventivo en anticipación de la contaminación, reduce sus efectos. La tendencia del cemento a liberar iones Ca++ en el lodo es suprimida si hay una alta concentración de iones OH-. En este caso el cemento ejerce un efecto menor. (Sin embargo, si la concentración de iones OH- cae posteriormente, los iones Ca++ comenzarán a penetrar en el lodo). CARBONATO DE SODIO: El carbonato de sodio (Na2CO3) se añade a los lodos con el propósito de remover los iones calcio. Cuando el carbonato de sodio penetra en el lodo, se ioniza en Na+ y CO3= en la fase continua. Los iones carbonato se combinan con los iones calcio, formando carbonato de calcio (CaCO3), que es un precipitado inerte. Un tratamiento excesivo con carbonato de sodio, deja libre un exceso de iones carbonato, los que pueden causar alta viscosidad y resistencia de gel. Un aumento en la concentración de iones carbonato en el lodo se refleja en un incremento de la diferencia entre Mf y Pf. Si el lodo tiene un pH inferior a 11, las adiciones de carbonato de sodio provocarán un aumento del mismo. Esto ofrece un contraste con otros
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QUIMICA DE LODOS tratamientos de la contaminación con calcio, los que generalmente disminuyen el pH del lodo. BICARBONATO DE SODIO. El bicarbonato de sodio (NaHCO3) es una alternativa para el carbonato de sodio en la remoción de iones calcio. Cuando se añade a un lodo, para de formar parte de la fase continua y se ioniza en los iones Na+ y HC03-. Si están presentes iones oxhidrilo, el hidrógeno y el carbonato se disocian en sus respectivos iones. El H+ y el OH- se combinan para formar agua. Esta reacción baja el pH y el Pf del lodo. El CO3= se combina con Ca++ (en caso de estar éste presente) para formar carbonato de calcio (CaCO3) un precipitado inerte. Si la cantidad de iones oxhidrilo en el lodo es insuficiente, la adición de bicarbonato de sodio no remueve los iones calcio. En cambio, el hidrógeno y el carbonato permanecen unidos como iones bicarbonato. Los iones bicarbonato en la fase continua pueden ser considerablemente nocivos para la estabilidad del lodo. Aun en los casos en que haya un adecuado suministro de iones oxhidrilo, debe evitarse un tratamiento excesivo con bicarbonato de sodio, con el propósito de impedir un aumento de los iones bicarbonato y carbonato. El grado de diferencia entra Mf y Pf es una indicación de la concentración de iones bicarbonato y carbonato en la fase continua. Un aumento de dichos iones aumenta la brecha entre ambas determinaciones. CAL: La cal (Ca (OH)2) ejerce el mismo efecto que el cemento cuando se añade a un lodo. En los lodos que tienen una alta concentración de iones oxhidrilo, la cal sirve como una fuente potencial de iones Ca++ y OH-. En otros lodos es una fuente directa de dichos iones. En un lodo no pueden existir simultáneamente los iones Ca++ y CO3= en forma libre. De coexistir, se combinan para formar carbonato de calcio (CaCO3). De un modo similar, tampoco pueden coexistir los iones Ca++ , OH- y HCCO3- en un lodo. Por consiguiente, a veces se añaden pequeñas cantidades de cal a un lodo cuando se sospecha la existencia de problemas de carbonato o bicarbonato, pero no sin antes efectuar ensayos piloto para verificar el efecto real del tratamiento propuesto sobre las propiedades del lodo. GASES SOLUBLES: Los gases presentes en las formaciones perforadas afectan las propiedades del lodo, en caso de penetrar en él. Si los gases se disuelven en la fase continua, los efectos químicos pueden también ser de importancia. El ácido sulfhídrico o sulfuro de hidrógeno (H2S) y el anhídrido carbónico o dióxido de carbono (C02), en particular, pueden disminuir marcadamente el pH del lodo. El dióxido de carbono puede también aumentar el número de iones carbonato y bicarbonato.