ISSN-e: 3006-9467; ISSN: 0016-7975 / 1011-9565
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Perforación/Drilling/Perfuração
Cuarzo y feldespato como aditivos para controlar pérdida de circulación de fluidos de perforación poliméricos
Cuarzo y feldespato como aditivos para controlar pérdida de circulación de fluidos de perforación poliméricos
Quartz and feldspar as an additive to control lost circulation of drilling fluids polymeric
Quartzo e feldspato como aditivos para controlar perda de circulação de fluídos de perfuração poliméricos
Rubén Vega
Ing°Mec°, MSc. Profesor Agregado. Universidad de Oriente (UDO). Correo-e: rvegas@udo.edu.ve
David García
Ing°Petr°. Multiservicios, C. A. Correo-e: Davidrgr1985@hotmail.com
Pedro Maita
Ing°Petr°. Profesor Instructor. Universidad Nacional Experimental de Guayana (UNEG). Correo-e: Pam_99946@hotmail.com
Recibido: 23-10-15; Aprobado: 20-11-15
Resumen
Resumen
El empleo de materiales anti pérdidas de circulación como solución a la problemática del mismo nombre, está asociada a la obtención de beneficios pero a elevados costos. La gran diversidad de materiales empleados para tal fin conllevó al posible uso del feldespato y cuarzo provenientes de los estados Barinas y Anzoátegui, respectivamente. Previo conocimiento del tamaño de partícula mediante el empleo del analizador de partículas CILAS 930 y partiendo de un fluido polimérico blanco se adicionaron los materiales: feldespato, cuarzo y carbonato de calcio, para conocer su efecto sellantes en discos de Aloxita de 0,75 Darcy en una prueba de taponamiento de permeabilidad (PPT). Por último, a partir de un modelo de bloques al azar (m x n), se realizó la prueba de análisis de varianza no paramétrica de Friedman, para constatar si existían semejanzas o diferencias entre el comportamiento del sello realizado. Los resultados obtenidos demostraron que el feldespato y cuarzo pueden ser utilizados de manera combinada o no, en concentraciones de 15 lpb o 30 lpb, puesto que resultan agentes sellantes.
Abstract
Abstract
The use of anti lost circulation materials as a solution to the problem of the same name is associated with profit but high costs. The great diversity of materials used for this purpose led to the possible use of feldspar and quartz from Barinas and Anzoategui states, respectively. Prior knowledge of the particle size by using the particle analyzer CILAS 930 and starting from a white fluid polymeric material were added: feldspar, quartz and calcium carbonate, to know its sealing effect Aloxite disk of 0.75 Darcy tamponade test permeability (PPT). Finally, from a randomized block model (mxn), testing nonparametric analysis of variance was performed Friedman, to see if there were similarities or differences between the behavior of the seal made. The results showed that the feldspar and quartz can be used in combination or not, in concentrations of 15 ppb to 30 ppb, as are sealants.
Resumo
Resumo
O emprego de materiais antiperdas de circulação como solução à problemática do mesmo nome, está associada à obtenção de benefícios, mas a elevados custos. A grande diversidade de materiais empregados para tal fim implicou ao possível uso do feldspato e quartzo provenientes dos estados Barinas e Anzoátegui, respectivamente. Prévio conhecimento do tamanho de partícula mediante o emprego do analisador de partículas CILAS 930 e partindo de um fluído polimérico branco se adicionaram os materiais: feldspato, quartzo e carbonato de cálcio, para conhecer seu efeito selantes em discos de Aloxita de 0,75 Darcy em uma prova de tamponamento de permeabilidade (PPT). Por último, a partir de um modelo de blocos a esmo (m x n), realizou-se a prova de análise de variância não paramétrica de Friedman, para constatar se existiam semelhanças ou diferenças entre o comportamento do selo realizado. Os resultados obtidos demonstraram que o feldspato e quartzo podem ser utilizados de maneira combinada ou não, em concentrações de 15 lpb ou 30 lpb, já que resultam agentes selantes.
Palabras clave/ Keywords/Palavras-chave:
Palabras clave/ Keywords/Palavras-chave:
Agentes sellantes, disco de Aloxita, Disk aloxite, particle size, permeabilidad, permeability, sealing agents, tamanho de partícula, tamaño de partícula.
Citar así/Cite like this/Citação assim: Vega, García y Maita (2015) o (Vega, García y Maita, 2015).
Referenciar así/Reference like this/Referência como esta:
Vega, R., García, D., Maita, P. (2015, diciembre). Cuarzo y feldespato como aditivos para controlar pérdida de circulación de fluidos de perforación poliméricos. Geominas 43(68). 167-172.
Introducción
Introducción
A pesar de los avances tecnológicos y de nuevas técnicas de perforación, se pueden presentar en la etapa de perforación una serie de inconvenientes entre los cuales está la pérdida de circulación, que consiste en la pérdida de fluido de perforación hacia las formaciones expuestas en el pozo. Esta situación ocurre básicamente por un problema de balance de presiones, cuando la presión hidrostática de la columna de fluido presente en el hoyo excede la presión de formación (PDVSA-CIED, 2002).
La reducción o merma del fluido de retorno a la superficie puede amenazar un proyecto de perforación. Los incidentes de pérdida de circulación no son poco comunes y tiene una diversidad de consecuencias, desde incrementar los costos de construcción de los pozos hasta poner en riesgo su estabilidad (Baggini et al., 2014). Las consecuencias económicas de los problemas de pérdida de circulación pueden ser significativas y las empresas a menudo agregan entre un 10 % y 20 % a sus presupuestos de perforación como previsión ante el tiempo no productivo atribuible a tales pérdidas.
Además, la pérdida no controlada del fluido hacia la formación puede dañar el yacimiento, alterando sus características y afectando negativamente su potencial de producción (Cook et al., 2012).
Si bien es cierto que se estiman que el 50 % de las pérdidas de circulación en la perforación de pozos, podrían controlarse utilizando buenas prácticas de operación y con el buen uso de los fluidos de control (Lummus y Azar, 1986), también es posible evitarlas mediante la adición de algún material que forme un sello en la apertura de la fractura creada en las gargantas porales de las zonas de interés. Los materiales anti pérdida de circulación pueden ser clasificados por el tipo de partícula que lo conforman en: fibrosos, escamosos o laminares y granulares. Dichos materiales vienen en diferentes granulometrías o tamaños (PDVSA-CIED, 2002).
Actualmente, se cuenta con un gran número de productos que evitan la pérdida de circulación, pero de costos elevados. Según Mata et al. 2008, un saco de un material comercial anti pérdida puede tener un valor unitario de $ 90 y en su ejemplo contabilizaron un volumen de barriles de fluido perdidos de 9.060 en los pozos donde ocurrieron las pérdidas con costo asociado de US$ 383.960,37, más Bs. 376.245.449,00 para la época. La diversidad de productos en el mercado para evitar este inconveniente es amplia y pueden estar formados por materiales como: mármol molido, carbonato de calcio (CaCO3), mezcla de tierras diatomeas (roca sedimentaria silícea), entre otros.
En tal sentido, y basado en los productos empleados para tal fin, PDVSA en su página oficial expone que Venezuela posee importantes cuerpos pegmatíticos de feldespato en los estados Mérida, Cojedes, Barinas, Táchira y Trujillo. Este mineral de estructuras tetraédricas tridimensionales, es el principal componente de la corteza terrestre y se emplea en las industrias de la cerámica, vidrios y porcelana. (PDVSA-Intevep, 1987).
Respecto al cuarzo, el autor anteriormente citado, expresa que es un mineral abundante en la corteza terrestre, en Venezuela existen importantes depósitos de cuarzo y cuarcita en los estados Carabobo, Anzoátegui, Cojedes y Bolívar. Representa el silicato más sencillo o dióxido de silicio, o sílice (SiO2) y se emplea en la fabricación de vidrio, entre otras (PDVSA-Intevep, 1987).
De acuerdo a lo descrito, se deseó conocer si era posible formular un producto anti pérdida de circulación, con feldespato y cuarzo nacionales provenientes de minas de los estados Barinas y Anzoátegui, respectivamente, como una posible opción de desarrollo tecnológico y económico del país.
Metodología
Metodología
El estudio dio inicio en el laboratorio de fluidos de perforación de la Universidad de Oriente, núcleo de Monagas, campus Los Guaritos, como primer paso el cuarzo y feldespato fueron sometidos a un proceso de molienda en un molino de martillo de escritorio para su posterior tamizado.
Posteriormente se formularon seis (6) fluidos de perforación partiendo de un fluido polimérico viscoelástico, al cual se denominó blanco (sin aditivo antipérdida), basado en la norma Scomid Oiltools Código: IT-LB-90 “Control de calidad de la mica”, los aditivos y las cantidades de cada aditivo a agregar se observan en la tabla I.
Tabla I. Fluido polimérico blanco.
Tabla II. Clasificación API, según tamaño de la partícula.
En función de los aditivos en estudio empleados para generar sello, se prepararon los fluidos de perforación, para ello la mezcla preparada del fluido blanco se colocó en un mezclador con una velocidad de 2.000 rpm y se agregó la cantidad requerida de cuarzo, carbonato de calcio y feldespato según caso, para lograr 15 lpb y 30 lpb, los cuales representan dos de los valores más empleados en la industria petrolera para pérdidas de circulación.
Una vez formulados los fluidos, se procedió a conocer el tamaño de distribución de partículas, mediante el uso del equipo CILAS 930, en el laboratorio de Fluidos de la empresa Esvenca. Dicho equipo refleja el tamaño de la distribución de partículas para 10 % (D10), 50 % (D50), 90 % (D90) y su diámetro promedio. De esta manera se clasificaron los tamaños de acuerdo a la tabla II.
La selección del disco de Aloxita se basó en el criterio Abraham (1977), quien propuso que el tamaño de la partícula medio (D50) del añadido que tiende a puentear debe ser igual o mayor que un tercio del tamaño mediano del poro de la roca para prevenir la obstrucción.
Se realizó una prueba PTT a 500 lpca de presión y 150 °F de temperatura a los fluidos para conocer el sello realizado a 1; 7,5; 15; 22,5 y 30 min según la norma Scomid Oiltools Código: IT-LB-90. Finalmente, se comparó de manera estadística la efectividad del sello obtenido con las formulaciones con cuarzo, carbonato de calcio y feldespato y las obtenidas con los fluidos polimérico blanco y el fluido con el aditivo comercial, permitiendo conocer si existen diferencias significativas al inicio, 1 min (Spurt loss) y a los 30 min para 15 lpb y 30 lpb.
Se empleó un modelo de bloques al azar de m x n y se aplicó una prueba estadística de Análisis de Varianza no Paramétrica de Friedman con a= 5 %, para comparar los 6 fluidos formulados y el blanco con un fluido patrón con un fluido con aditivo antipérdida de circulación comercial en su composición. Para ello se realizaron tres repeticiones (n).
Resultados y discusión
Resultados y discusión
Como se estableció en la metodología, al moler y tamizar los aditivos éstos por sus propiedades físicas y mecánicas se pulverizaban fácilmente, de esta manera se obtuvo la granulometría mostrada en la tabla III, donde también se observa la granulometría del carbonato de calcio, el cual se empleó debido a que el mismo es un agente “puenteante” y forma revoques, pero es soluble en ácido clorhídrico (HCl) 15 % v/v, lo que permite ser retirado.
Cabe destacar que el carbonato de calcio usado como agente sellante difirió del utilizado como agente densificante en el fluido blanco, en su granulometría, 40-45 μ mm y 70 – 75 μ mm, respectivamente.
Tabla III. Granulometría de los aditivos para pérdida de circulación.
En tabla IV, se muestran las cantidades de aditivos feldespato, cuarzo y CaCO3 utilizadas en las 6 formulaciones. Los valores mostrados representan las cantidades necesarias para alcanzar las concentraciones de 15 lpb y 30 lpb.
Tabla IV. Cantidades de aditivos de pérdida de circulación de los fluidos preparados.
En lo que respecta al tamaño de partículas, para los fluidos de 15 lpb el 10 % de las partículas (D10), su tamaño osciló entre 5,29 μm - 9,63 μm, para el 50 % de las partículas (D50), su tamaño está entre 42,28 μm - 57,74 μm, considerándose ambas como finas y el 90 % de las partículas (D90), están entre 99,61 μm - 147,92 μm tamaño que las hace clasificar como medio (Tabla V). Para los fluidos de 30 lpb, el 10 % de las partículas (D10), se califican como finas (5,70 μm - 7,40 μm), el 50 % de las partículas de los fluidos (D50), se consideran finas también, excepto el fluido de cuarzo y carbonato de calcio, el cual se clasifica como medio y para el 90 % de las partículas de los fluidos (D90), éstos son considerados tamaño medio (91,95 μm - 216,58 μm).
Tabla V. Tamaño de partículas de los fluidos formulados a 15 lpb y 30 lpb.
Se obtuvieron sólo tamaños finos y medios de partículas en los fluidos formulados, destacando que los mayores diámetros se presentan con la adición de carbonato de calcio. El tamaño de los diámetros medios (Øm) en todos los fluidos, se consideran como fino. No obstante, es importante señalar que de acuerdo al manual de PDVSA-CIED (2002), es aconsejable mezclar diferentes tipos y tamaños de este material (anti pérdida) para lograr mayor efectividad en el control de la pérdida.
Esto se debe a que el control óptimo se logra teniendo una amplia variedad de tamaños de partículas. Las partículas más pequeñas sellan las aberturas entre las partículas más grandes, para formar un revoque de baja permeabilidad. (MI Swaco, 2001).
Conocidos los tamaños de las partículas de los fluidos, se seleccionó el disco de Aloxita de 0,75 Darcy para la prueba de PPT. En esta fase se observa que existe una reducción de pérdida de filtrado en todos los fluidos tanto para 15 lpb, como para 30 lpb (Tabla VI), mayor a lo establecido por la norma de Scomi Código: IT-LB-90, la cual establece que para ser aceptado el producto debe por lo menos producirse una reducción del filtrado entre 7 - 10 unidades con respecto a la formulación blanco.
Tabla VI. Pérdida de filtrado en prueba PPT para los periodos de tiempo, utilizando discos de Aloxita de 0,75 Darcy a 500 lpca y 150 °F.
Para los fluidos de 15 lpb, los volúmenes de pérdida inicial (Spurt loss, 1 min) van desde los 9,42 mL hasta los 5,42 mL, siendo el valor más elevado para el fluido compuesto con feldespato, cuarzo y CaCO3 (Figura 1(a)). Similar comportamiento presentaron los fluidos de 30 lpb, las pérdidas de inicio (1 min) variaron entre 6,50 mL (Cuarzo) y 3,08 mL (Cuarzo + CaCO3) (Figura 1(b)).
Pero al transcurrir el tiempo hasta alcanzar los 30 min, los fluidos lograron disminuir el filtrado siendo el fluido Feldespato+ Cuarzo +CaCO3 el que alcanzó el mínimo valor de filtrado, 0,58 mL y 0,03 mL para 15 y 30 lpb, respectivamente, incluso mejorando el comportamiento de un aditivo comercial.
Figura 1. Comparación del comportamiento de los materiales sellantes versus un producto comercial a 1 min y 30 min para 15 lpb (a) y 30 lpb (b).
El aditivo comercial presentó bajo filtrado inicial a 1 min (Spurt loss) en contrate con los otros fluidos, pero a los 30 min el fluido feldespato, cuarzo y CaCO3 presentó un mejor comportamiento. Cabe destacar, que en este tipo de pruebas una pérdida instantánea alta indica que un chorro de filtrado pasó a través del filtro antes que se formara el revoque, limitando el flujo de filtrado. (MI Swaco, 2001).
Es por ello que el autor antes citado también indica que la prueba de filtración PPT siempre debe ser realizada durante 30 minutos. Los efectos térmicos y el volumen retenido por la celda hacen que la prueba de 7,5 minutos sea insignificante.
Los fluidos mostraron comportamientos que se ajustan a ecuaciones con correlaciones fuertes tanto para 15 lpb como para 30 lpb. Se observa, además que el feldespato y CaCO3 dan un comportamiento exponencial, y el efecto de estos dos se antepone al cuarzo que da un comportamiento polinómico.
Tabla VII. Correlación (R2) y Ecuación de los fluidos de 15 y 30 lpb.
Figura 2. Análisis estadístico de Friedman para el filtrado a 1 min de los distintos fluidos a 15 lpb (a) y 30 lpb (b). (Letras distintas demuestran diferencia estadística significativa).
Figura 3. Análisis estadístico de Friedman para el filtrado a 30 min 15 lpb (a) y 30 lpb (b). (Letras distintas demuestran diferencia estadística significativa).
El análisis estadístico de los datos indicó que el comportamiento para el filtrado instantáneo (1 min) de los fluidos de 15 lpb (Figura 2 (a)), existe diferencia significativa entre los fluidos de manera grupal (pobtenido= 0,0005 < pvalor= 0,05). No obstante, de manera independiente el fluido de Feldespato no se diferencia del fluido comercial, esto se muestra al obtener letras iguales (A), quienes además lograron el menor filtrado, los demás fluidos difieren del comportamiento de estos dos por lo que se le asignaron letras distintas, pero esto no es indicativo de rechazo.
De manera similar los fluidos de 30 lpb para 1 min (Figura 2), difieren estadísticamente al ser estudiados en conjunto (pobtenido= 0,0009 < pvalor= 0,05) y en este caso al ser comparados de manera independiente, los fluidos Cuarzo + CaCO3 y Feldespato + CaCO3, tienen igual comportamiento que el fluido comercial, el que registró el menor valor de filtrado, los demás fluidos difieren de manera significativa respecto a ellos.
Con respecto al comportamiento de los fluidos de 15 lpb a los 30 min (Figura 3 (a)), se detalla que los fluidos en estudio no difieren significativamente al ser analizados en conjunto (pobtenido= 0,1648 > pvalor= 0,05), pero de manera independiente, no existen diferencias en los resultados de filtrado obtenidos de los fluidos de feldespato + cuarzo + CaCO3, feldespato, cuarzo + CaCO3, el comercial y feldespato + cuarzo, sólo habiendo diferencia con los dos restantes.
Los fluidos de 30 lpb a 30 min de filtrado mostraron un comportamiento similar al mismo tiempo para 15 lpb, otra vez difieren de manera grupal (pobtenido= 0,0001 < pvalor= 0,05), el fluido de Feldespato + Cuarzo + CaCO3 mostró el mejor filtrado de los fluidos propuestos y no presentó diferencias significativas con respecto al fluido comercial (Figura 3 (b)), los demás fluidos si tienen diferente comportamiento respecto a estos dos.
De acuerdo a los resultados obtenidos, quedó demostrado a nivel de laboratorio que la adición de feldespato, cuarzo con carbonado de calcio como materiales anti pérdidas de circulación proporcionan un sello efectivo tanto para fluidos de 15 lpb como para 30 lpb, incluso o igualando la respuesta de un aditivo comercial de amplio uso en la industria petrolera. Asimismo, la adición de carbonato de calcio (CaCO3) permitió el incremento del tamaño de partícula y adicionalmente conllevaría a retirar el material cuando se agregue ácido clorhídrico (HCl) al 15 %.
También es relevante señalar las posibilidades de desarrollo que tiene el producto dado que los materiales feldespato y cuarzo son provenientes de minas del país. Asimismo, se espera variar los porcentajes de los aditivos en las distintas formulaciones de manera de conocer su efecto sobre los tamaños de partícula y sellos logrados.
Un aspecto importante de mencionar lo representa la presencia de cuarzo de dureza 7 en la escala respectiva y la posibilidad de ocasionar abrasión en la tubería. Pero cabe destacar que los fluidos base agua necesitan de la presencia de sólidos, debido a que ocasionan desgaste adhesivo severo por fricción, causado por la falta de barreras sólidas en el fluido. Para dar solución a este inconveniente se agregan materiales lubricantes.
En tal sentido, Yudelkys 2011, expone: Los fluidos base agua, sin peso, incorporan material de peso que proveerá sólidos al sistema, los mismos actuarán como un material particular entre la junta y la tubería de revestimiento, proveyendo una capa entre las superficies rodantes. El tamaño y la dureza de las partículas son relevantes; una partícula grande proveerá mejor espaciamiento y un material más suave, se desempeñará mejor.
Por ejemplo, la baritina se desempeña mejor que las adiciones de hematina y cuarzo (arena/sedimento). Las partículas de arena son demasiado grandes para “rodar en el espacio entre la junta y la tubería de revestimiento. Los sistemas sin peso experimentan tanto desgaste adhesivo, que hacen que la influencia abrasiva de la arena, pase inadvertida.
Conclusiones
Conclusiones
Sólo se lograron tamaños de partículas finos e intermedios en los distintos fluidos formulados a 15 lpb y 30 lpb.
A través de la prueba de taponamiento de permeabilidad, se demostró que el cuarzo, feldespato y carbonato de calcio en estudio garantizan sellos estables en formaciones con permeabilidades aproximadas a 0,75 Darcy y tamaños de garganta poral aproximado a 20 micrones.
La adición al fluido de feldespato, cuarzo y el carbonato de calcio mostraron ser un mejor agente sellante que el aditivo comercial, pero no presentaron un comportamiento diferente estadísticamente para 15 lpb e igual para 30 lpb a 30 min de la prueba de filtrado.
Referencias bibliográficas
Referencias bibliográficas
Abrams, A. (1977). Mud design to minimize rock impairment due to particle invasion. J. Petrol. Technol.
Baggini, S., Frates, C., Garand, J. y Meyer, A. (2014). Sellado de fracturas: avances en el control de las pérdidas de circulación. Oilfield review, 26, no. 3. 4-13.
Cook, J., Growcock, F., Hodder, M. y Van Oor, E. (2012). Estabilización del pozo para prevenir pérdidas de circulación. Oilfield review 23. No.4. 26-35.
Lummus, J. y Azar, J. (1986). Drilling fluids optimization-a practical field approach. Pennwell Publishing Company, Tulsa (Oklahoma), pp. 35-55.
Mata, G.; Mata, J.; Herdes, M.; Lareal, E. y Torrelles, J. (2008). Ez-plug solución tecnológica para el control de pérdida de circulación en el distrito norte. VI SEFLU CEMPO. Margarita, Edo. Nueva Esparta.
Mi Swaco, (2001). Manual de ingeniería de fluidos de perforación. (2ª ed). Houston: Texas.
PDVSA-CIED (2002). Pérdidas de circulación. Caracas-Venezuela.
PDVSA-INTEVEP (1987). Museo geológico virtual de Venezuela. Http://www.pdv.com/lexico/museo/minerales/feldespato.htm
Scomid Oiltools, 2004. Control de calidad de la mica. Código: it-lb-90.
Yudellkys, 2011. Para estudiantes de ingeniería de petróleo. Yudelkys-ingenpetroleo.blogspot.com/2011/06/diseño-de-revestidores.htlm?m=1
The author(s) declare(s) that she/he/they has/have no conflict of interest related to hers/his/their publication(s), furthermore, the research reported in the article was carried out following ethical standards, likewise, the data used in the studies can be requested from the author(s), in the same way, all authors have contributed equally to this work, finally, we have read and understood the Declaration of Ethics and Malpractices.
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