Antes de continuar profundizando en este tópico es importante detenernos a preguntar qué es la densidad:

Densidad y su importancia durante la perforación

La densidad de una sustancia no es más que la magnitud escalar que hace referencia a la cantidad de masa contenida en un determinado volumen.

Donde:
ρ: densidad de la sustancia
m: masa de la sustancia
v: volumen de la sustancia

La densidad toma importancia principalmente en el manejo de las presiones durante el proceso de perforación del pozo, si no se controla este parámetro se incurriría en problemas operacionales como las arremetidas, mencionadas anteriormente. Este control se logra con el mantenimiento de una presión hidrostática ejercida por el lodo de perforación, se sabe que la presión hidrostática es directamente proporcionar a la densidad y a la altura de la columna de fluido tal como se muestra a continuación:

_{Representación de la presión hidrostática y de la formación}

Donde:

Ph: presión hidrostática, psi
constante: en este caso como deseamos la presión hidrostática en unidades psi, entonces la constante a utilizar es 0.052
h: es la altura vertical o profundidad de la columna de fluido (lodo), pies
ρ: es la densidad del lodo, libras por galón (lpg)

Se busca que la presión hidrostática sea igual a la presión ejercida por la formación para mantener el equilibrio de los fluidos, a medida que va aumentando la presión en la formación, se puede aumentar la densidad del lodo para mantener estable las paredes del hoyo y evitar que los fluidos de la formación fluyan hacia el pozo.

Ventajas y desventajas de la densidad en un fluido de perforación

¿Qué es un densificante?

Un densificante es aquel compuesto que permite que las partículas del fluido se atraigan o interactúen entre sí por medio de fuerzas electroestáticas y así obtener un fluido más denso y concentrado. Esto con el fin de controlar la presión y los derrumbes que ocurre en la formación.

Entre los densificantes más usados dentro de la industria petrolera se encuentran:

Reología de los lodos de perforación

Los fluidos de perforación cumplen con unas funciones específicas que ya han sido mencionadas anteriormente y esto es gracias a las propiedades reológicas que posee, estas propiedades son de suma importancia a la hora de la preparación de los lodos y empleo de los mismos durante las operaciones.

La reología es el estudio de la deformación y el comportamiento del flujo de fluidos tomando en cuenta la relación esfuerzo de corte y tasa de corte del fluido. La reología del lodo se mide continuamente y se ajusta con aditivos para cumplir con las necesidades de la operación.

Las propiedades reológicas fundamentales de un lodo de perforación son:

• Viscosidad de Embudo Marsh
  Se refiere al tiempo, en segundos, requerido para que un cuarto de galón de lodo fluya a través de un tubo de 3/16 pulgadas y una altura de 12 pulgadas, que es el embudo de Marsh. El resultado obtenido no es la viscosidad verdadera, sino más bien, es un indicador cualitativo de la viscosidad del lodo, sirve para saber cuán espesa es la muestra de lodo, por ejemplo, una viscosidad de embudo para un lodo en condiciones óptimas debe ser igual a 35 - 45 seg/32oz.

_{Representación esquemática del embudo Marsh}

• Viscosidad Plástica
  Es la resistencia de un fluido a fluir, causada principalmente por la fricción entre las partículas suspendidas. Se mide en centipoises y se emplea un viscosímetro rotacional para realizar esta medida, tomando la lectura de 600 rpm y la de 300 rpm, por lo tanto para determinar la viscosidad plástica se emplea la siguiente ecuación:

• Viscosidad Aparente
  Es la viscosidad medida a una determinada velocidad de corte y a una temperatura fija. Ésta se expresa en centipoises y, al igual que la viscosidad plástica, se determina con el viscosímetro rotacional, donde la viscosidad aparente es igual a la mitad de la lectura de 600 rpm.

• Punto Cedente (Yield Point)
  Es la resistencia de un fluido a fluir, es decir es la fuerza de atracción entre las partículas en el lodo de perforación. Al igual que la viscosidad plástica, se obtiene utilizando un viscosímetro rotacional y la medida se obtiene con la lectura a 300 rpm menos el valor de la viscosidad plástica, tal como se refleja en la siguiente ecuación:

• Fuerza de Gel
  También conocido como resistencia de gel. Es el esfuerzo cortante medido a baja velocidad de corte después de que un lodo ha quedado en reposo durante un período (10 segundos y 10 minutos). ¿Por qué se dejan en reposo? puesto que los fluidos de perforación tienen características tixotrópicas, eso quiere decir que son capaces de desarrollar una estructura de gel, similar a la gelatina cuando permanece en reposo y esto ocurren con la finalidad de poder cumplir con las funciones primordiales durante la perforación como lo es la suspensión de sólidos indeseables cuando se está realizando un viaje de tubería. Para el cálculo de esta propiedad se hacen dos mediciones una a los 10 segundos de reposo, se conoce como "gel inicial" y otro a los 10 minutos y se conoce como "gel final".

Preparación de lodos de perforación densificados

Para la preparación de lodos densificados primero necesitamos los siguientes materiales y equipos:

Para determinar las propiedades del lodo debemos preparar el equivalente de 4 barriles al 7% en peso de bentonita, para ello pesamos la bentonita poniendo una hoja de papel sobre el platillo de la balanza y en un recipiente cilíndrico agregamos agua (equivalente a 4 barriles) y empezamos a agitar con ayuda del agitador eléctrico desde antes de agregar la bentonita, luego poco a poco vamos agregando los agentes densificantes.

_{Balanza electrónica con muestra de bentonita [Foto real del autor @ennyta]}

Una vez preparado el lodo base separamos un barril de lodo e incrementamos su densidad a 9 lbs/gal, 9,5 lbs/gal 10 lbs/gal y 11 lbs/gal, respectivamente, utilizando Barita y Carbonato de Calcio, esto con el fin de determinar las propiedades reológicas del lodo y comparar sus resultados.

_{Agitación de la muestra de lodo [Foto real del autor @ennyta]}

Antes de hacer uso de los equipos para la preparación de los lodos y conocer las propiedades reológicas de los mismos se debe calibrar los equipos, eso se hace de la siguiente manera:

1. Balanza de lodos (Baroid)

Para calibrar la balanza de lodos primero debemos retirar la tapa de la copa y llenarlo completamente con agua destilada, se tapa nuevamente y se seca el exceso del agua que sale por el hoyo superior. Luego se coloca en el brazo de la balanza sobre la base y se debe poner el cursor en el valor de 8.33lbs/gal (que es la densidad del agua).

¿Cómo determinar la densidad del lodo de perforación con la balanza de lodos?

Para conocer la densidad del lodo primero quitamos la tapa de la copa y la llenamos completamente con el lodo a analizar, lo volvemos a tapar y limpiamos el exceso. Luego colocamos el brazo de la balanza sobre la base y movemos el cursor a lo largo del brazo graduado hasta que la burbuja del nivel indique la nivelación correcta. En ese momento leemos el valor que será la densidad del lodo.

_{Balanza de lodo [Foto real del autor @ennyta]}

2. Embudo Marsh

Para calibrar el embudo Marsh primero se debe llenar el embudo hasta la parte inferior de la malla con agua a temperatura ambiente y se debe anotar el tiempo que tarda en pasar el agua a través de él. Este volumen debe escurrir en 26 seg con una tolerancia de más o menos ½ segundos.

¿Cómo determinar la viscosidad Marsh del lodo de perforación con el embudo Marsh?

Se debe mantener el embudo en forma vertical, tapar el orificio con el dedo y verter la muestra de lodo dentro de él hasta que el nivel de fluido llegue hasta la malla. Debemos sostener firmemente el embudo sobre una jarra graduada con una capacidad de ¼ de galón y retiramos el dedo tomando el tiempo que tarda el lodo de salir del embudo, registramos el valor y la temperatura del fluido.

_{Embudo Marsh [Foto real del autor @ennyta]}

3. Viscosímetro rotacional FANN

También llamado viscosímetro de indicación directa, es un instrumento utilizado para medir la viscosidad y la resistencia de gel de un lodo de perforación, este equipo consiste en medir el esfuerzo de corte en función de la velocidad angular.

¿Cómo determinar la viscosidad plástica, punto cedente y fuerza de gel con el viscosímetro de FANN?

Se llena el vaso del viscosímetro con la muestra del lodo y luego se sumerge el rotor exactamente hasta la marca. Se pone en marca el motor y se posiciona entonces en la velocidad de 600 rpm y el interruptor en posición high. Se mantiene esta velocidad alrededor de 10 segundos hasta obtener una lectura constante en el dial y anotamos el valor. Luego se coloca el interruptor en posición low hasta obtener un valor constante en el dial, ese será el valor para la velocidad de 300 rpm.

_{Viscosímetro rotacional FANN [Foto real del autor @ennyta]}

Recordemos que para conocer el valor de la viscosidad plástica restamos las lecturas de 600 rpm y 300 rpm y para conocer el valor del punto cedente es la resta entre la lectura de 300 rpm y la viscosidad plástica.

Sin embargo para determinar la fuerza de gel o la resistencia de gel se pone a agitar la muestra del lodo por 10 segundos a una velocidad de 600 rpm, luego se coloca el botón en la velocidad de 300 rpm y se para el rotor por 10 segundos, una vez pasado el tiempo se enciende el rotor y se registra la lectura máxima del dial como resistencia inicial de gel, expresada en libras/100 pies₂. Después de medir la resistencia inicial, se vuelve a encender el motor a una velocidad de 600 rpm y se deja en absoluto reposo durante 10 minutos. De la misma manera que se obtuvo el gel inicial, se hace girar el rotor y se lee la máxima deflexión del dial y este valor se reporta como el gel final.

Tablas de resultados

Tabla 1. Cálculos previos para la preparación de los lodos densificados

Tabla 2. Propiedades reológicas obtenidas de los sistemas de lodos

BaSO₄: Barita
CaCO₃: Carbonato de Calcio

Discusión de resultados

De acuerdo a las distintas propiedades observadas durante la práctica de la preparación de lodos de perforación se dedujo los siguientes análisis de resultados:

Densidad

Es indiscutible considerar que, a mayor densidad de lodo es necesaria mayor masa que le aporte peso a un determinado volumen de fluido, según la proporcionalidad que se muestra en la ecuación de densidad ρ=m/v. Es por ello, que se pone en evidencia, según tabla 1 que, a medida que se quiere obtener un lodo con un mayor valor de densidad es indispensable hacer uso de un mayor porcentaje de densificante.

Una de las características más importantes de los agentes densificantes es su gravedad específica, debido a que, a mayor gravedad específica se emplea una menor cantidad de sólidos en el lodo. La gravedad específica de la Barita es de 4.3, mientras que la del Carbonato de Calcio (Calcita) es de 2.6; se necesita mayor cantidad de Calcita con respecto a la Barita para lograr alcanzar la misma densidad del lodo. Por ejemplo, para densificar a 9 LPG se necesita 17.16 Lbs (4.65%) de Barita y 21.90 Lbs (5.92%) de Calcita. Por otro lado, para conseguir un lodo con una densidad de 11 LPG se necesita aún más cantidad de aditivos, 140.44 Lbs (20.55%) de Barita y 196.78 Lbs (27.52%) de Calcita. El incremento de la cantidad de Carbonato de Calcio utilizados en la experiencia es de 20 a 25% más con respecto a la Barita.

_{Porcentaje en peso de densificantes usados [Propia del autor @ennyta]}

En definitiva, a mayor cantidad de sólidos en el lodo mayor será su densidad, tal como se observa en la gráfica. Sin embargo, altas densidades provocarán altas presiones hidrostáticas, las cuales tienen gran influencia en las tasas de penetración que se verán reducidas a medida que la densidad es mayor. La mecha encontrará mayor oposición al penetrar las formaciones por efecto de la presión.

_{Relación densidad contra peso del densificante [Propia del autor @ennyta]}

Viscosidad plástica

La característica de importancia de los materiales densificantes es su gravedad específica, ya que a una mayor gravedad específica se tiene menor concentración de sólidos en el sistema y, con este descenso de concentración de sólidos, igualmente disminuye la viscosidad plástica. Esta propiedad se ve afectada por la fricción mecánica entre las partículas del lodo. Entonces si hay mayor cantidad de sólidos existe una mayor fricción entre partículas. Naturalmente, la viscosidad plástica será mayor en los lodos densificados con Calcita que con Barita por su desigualdad en la gravedad específica.

Por lo general, la viscosidad plástica de un lodo base agua densificado debe oscilar entre 13 y 18 cps, por lo que perforar con un lodo de 9 LPG de densidad es idealmente aceptable, sobre todo para perforar zonas de poca profundidad. Los otros lodos con densidades superiores no cumplen con el rango establecido.

Según el siguiente gráfico no se observa una tendencia proporcional exacta del aumento de la viscosidad plástica con respecto a la cantidad de densificante añadido. Simplemente se reduce a errores de cálculo y manipulación de equipos. Se puede observar, como se venía analizando anteriormente, un incremento en la viscosidad plástica cuando se emplea carbonato de calcio, esto debido a la mayor cantidad de sólidos en comparación con la que se obtuvo con la Barita, todo esto se sujeta a la diferencia de gravedad específica, por lo que se requiere más cantidad de este para poder densificar hasta un mismo valor.

_{Relación viscosidad contra peso del densificante [Propia del autor @ennyta]}

Punto cedente

Un incremento en la concentración de sólidos, inmediatamente desarrollará una intensa atracción eléctrica entre las partículas, lo que se traduce en un mayor valor de punto cedente, esto se explica porque a mayor cantidad de sólidos, aumenta el número de cargas en la superficie, disminuye la distancia entre ellas contribuyendo así a un posible aumento de este parámetro.

El incremento en el punto cedente es aportado con mayor fuerza por la Bentonita, ya que los sólidos arcillosos poseen mayores cargas eléctricas. El tamaño de las partículas sólidas también tiene importancia. El reducido tamaño de las partículas hace que sea muy sensible a sus cargas eléctricas superficiales. El tamaño de la partícula de Barita oscila entre 2 y 8 micrones, mientras que la de Calcita 1 micrón, por lo que ellas también inciden en el valor del punto cedente.

En el siguiente gráfico se puede observar que a mayor densidad, mayor es el punto cedente (por el incremento de sólidos). Evidentemente, la Calcita presentará mayor punto cedente que la Barita por razones que anteriormente se han discutido, aunque se visualiza algunos valores incongruentes en el lodo de densidad 9 LPG que se reduce a errores cometidos durante la práctica. El fluido densificado requiere un punto cedente moderadamente alto para mantener en suspensión las partículas del agente densificante.

_{Relación punto cedente contra densidad [Propia del autor @ennyta]}

Viscosidad aparente

La viscosidad aparente es función de la viscosidad plástica y del punto cedente, entonces a mayores valores de estos parámetros se obtendrá un alto valor de viscosidad aparente. También depende de la concentración de sólidos como las otras propiedades reológicas. A mayor cantidad de densificante, mayor cantidad de sólidos y, por ende, mayor viscosidad aparente. Se observa entonces que para una densidad de lodo de 10 LPG la viscosidad aparente para un lodo con Barita es de 27 cps, mientras que con Calcita 38 cps (se recuerda que la calcita es añadida en mayor proporción por la diferencia de gravedad específica).

Al igual que sucede con la viscosidad plástica, la viscosidad aparente incrementa aún más con la presencia de Bentonita, lo que permite transportar efectivamente los ripios a la superficie.

La viscosidad aparente nos permite determinar el esfuerzo que se debe hacer para un cambio en la velocidad del fluido del pozo. En el siguiente gráfico se puede observar que el lodo con carbonato de calcio tiene una mayor viscosidad aparente que el lodo con barita, debido a que se le añadió más porcentaje en peso con respecto al lodo con Barita. Por ello se deduce que la Barita es el aditivo densificante más rentable a la hora de aumentar la densidad al lodo, porque se necesita menor porcentaje en peso, lo que se traduce a menor inversión en costo para conseguir la misma densidad que si añade carbonato de calcio en mayor proporción.

_{Relación viscosidad aparente contra peso del densificante [Propia del autor @ennyta]}

Fuerza gel

La consistencia de gel se desarrolla debido a las mismas fuerzas de atracción que las que determinan el punto cedente, con la condición que de esta vez es al fluido estático. Depende de igual forma de la concentración y tamaño de los sólidos suspendidos en el fluido de perforación. Por ello, tiende a desarrollar mayor resistencia gel la Calcita que la Barita, por tener mayor concentración en el lodo tanto para 10 segundos como para 10 minutos. De acuerdo con los resultados obtenidos con las diferentes densidades del lodo se puede concluir que, por la marcada diferencia de los valores obtenidos entre los geles iniciales y finales se trata de un lodo que desarrolla un gel progresivo, lo cual es un indicativo de la acumulación de sólidos presentes. Se observa además, que los valores de geles son relativamente elevados, lo que permite mantener en forma eficiente los ripios suspendidos durante las conexiones y viajes de tuberías, pero no tanto para llegar a fracturar la formación. Además estos valores no sólo se ven influenciados por la presencia de la Barita o Calcita, sino también por la Bentonita que, en presencia de agua, se hincha dando una masa voluminosa y gelatinosa, ayudando a desarrollar geles rígidos.

Referencias

• BAROID, “Manual de fluidos de perforación”. Copyright. Houston 1997. Lodos base agua.
• SALAS, Roberto. “FLUIDOS DE PERFORACIÓN”, Fondo Editorial UDO. 2000.
• IMCO SERVICES. “Tecnología Aplicada de Lodos”. A Halliburton Company.
• KELCO OIL FIELD GROUP. “Manual Técnico”. Copyright. Houston, Texas, 1996.
• ROJAS, O. (1999). Introducción a la reología. [Documento en línea]. Disponible: http://www.firp.ula.ve/archivos/cuadernos/S520B.pdf.

Las fotos fueron tomadas con teléfono celular Huawei CM980 por el autor @ennyta y las gráficas fueron realizadas a través de Microsoft Excel 2010.