~

MANUAL PARA ESPECIALISTAS EN FLUIDOS DE CONTROL

CAPITULO 5 CONTAMINACION Y TRATAMIENTO DE LOS FLUIDOS DE PERFORACIONUn contaminante es cualquier tipo de material (slido, Iquido gas) que tiene un efecto perjudicial sobre las caractersticas fsicas o qumicas de un fluido de perforacin, Lo que en un tipo de fluido de perforacin constituye un contaminante, en otro no ser necesariamente un contaminante.Los slidos reactivos de baja densidad son contaminantes comunes en todos los fluidos de perforacin. Estos slidos se componen de slidos perforados que se han incorporado dentro del sistema o que resultan del tratamiento excesivo con arcillas comerciales. Desde el punto de vista econmico, los slidos perforados y los problemas relacionados con su control tienen un mayor impacto sobre el costo del lodo que los otros tipos de contaminacin. Sin embargo, este apartado se centrar principalmente en los siguientes contaminantes qumicos comunes de los lodos base agua:

Anhidrita (CaSO4) o yeso (CaSO4-2H2O).

Cemento (silicato complejo de Ca (OH)2).

Sal (sal de formacin, agua de preparacin, agua salada, magnesio, calcio y cloruro de sodio).

Gases cidos, incluyendo el dixido de carbono (CO2) y el sulfuro de hidrogeno (H2S).

Con excepcin de los gases cidos, estos contaminantes qumicos estn directamente relacionados a las reacciones de intercambio de iones con las arcillas. Por lo tanto, la concentracin de slidos de tipo arcilloso en un lodo base agua esta directamente relacionada con la severidad con la cual el contaminante qumico afecta las propiedades del lodo. La Capacidad de Azul de Metileno (MBC) constituye una buena indicacin de la concentracin de slidos de tipo arcilloso. Los lodos con niveles de MBC inferiores a 15 Ib/bbl son menos afectados por la contaminacin qumica. Una reaccin de intercambio de iones puede ocurrir cuando la bentonita sdica esta expuesta a los ambientes qumicos que contienen altas concentraciones de otros iones metlicos, floculando inicialmente, y luego posiblemente convirtiendo qumicamente la bentonita en una arcilla de rendimiento mas bajo. Esto afecta la cantidad de agua adsorbida y el tamao, la forma y la asociacin de las partculas, produciendo la inestabilidad de la reologa y del control de filtrado.La severidad de estos contaminantes impuso la necesidad de desarrollar sistemas de lodo capaces de tolerarlos. Estos sistemas semidispersos (bajo contenido de coloides), lodos inhibidos, lodos inhibidos dispersos. Muchos de estos sistemas son pretratados deliberadamente con dispersantes, cloruro de sodio y materiales clcicos como la cal el yeso. Por lo tanto, cuando las concentraciones adicionales de estos contaminantes son encontradas, estas no tienen casi ningn efecto sobre los sistemas. Los objetivos principales de este apartado son:

Poner de manifiesto la(s) fuente(s) de cada contaminante qumico

Escribir la manera en que cada contaminante afecta las propiedades del lodo.

Describir la manera de usar Ios cambios de las propiedades del lodo para identificar al contaminante.

Describir la manera de tratar el lodo para restablecer las propiedades originales.

Como Ios cambios de las propiedades fsicas del lodo, tales como el aumento de la reologa y del filtrado debido a la floculacin, son similares con cualquier contaminante qumico que este presente, dichos cambios de las propiedades fsicas solo indican que existe algn contaminante. Ser necesario realizar un anlisis de Ios cambios de las propiedades qumicas para identificar al contaminante. Por lo tanto, describiremos detalladamente las fuentes, Ios efectos y las opciones de tratamiento de cada contaminante qumico. Hay pocas reas en el mundo donde no se perfora a travs de la anhidrita o del yeso. La anhidrita y el yeso son sulfatos de calcio y tienen composiciones qumicas prcticamente idnticas. EI yeso (CaS04.2H2O), con su agua contenida, es mas soluble que la anhidrita (CaS04).

La severidad de este contaminante depende principalmente del espesor perforado. Si se encuentra solamente una pequea cantidad de un contaminante, este puede ser tolerado mediante la precipitacin del in calcio. Si se encuentran grandes espesores, el sistema de lodo debera ser convertido en un sistema a base de calcio. Los sistemas a base de cal y de yeso pueden tolerar la contaminacin de anhidrita o yeso sin afectar las propiedades del lodo.

EI efecto inicial de la contaminacin de calcio sobre un sistema de lodo a base de bentonita es la alta viscosidad, altos esfuerzos de gel y un mayor filtrado. La medida en que estas propiedades son afectadas depende de la concentracin del contaminante, la concentracin de slidos reactivos y la concentracin de dispersantes qumicos en el lodo de perforacin. Como se muestra a continuacin, al solubilizarse en agua, el sulfato de calcio se ioniza en iones calcio y sulfato.

La solubilidad de CaS04 es controlada por el pH, la salinidad y la temperatura. EI aumento del pH y de la temperatura reduce la solubilidad del yeso, mientras que el aumento de Ios cloruros del lodo aumenta la solubilidad. La solubilidad del sulfato de calcio es reversible y alcanzara algn grado de equilibrio con el ambiente qumico.

5.1. Factores de deteccinLa primera indicacin de contaminacin de anhidrita o yeso es el aumento de las propiedades fsicas, incluyendo la viscosidad Marsh, el punta cedente y Ios esfuerzos de gel. Ser necesario realizar pruebas qumicas para identificar el contaminante qumico que est presente, porque el aumento de estas propiedades fsicas tambin constituye la primera indicacin de otros tipos de contaminacin qumica. Las principales indicaciones de contaminacin de yeso o anhidrita incluyen:

a. Aumento de la cantidad de calcio en el filtrado. Es posible que este aumento inicialmente no resulte evidente si hay algn excedente de iones carbonato, bicarbonato o fosfato en el lodo, o si se est aumentando el pH del sistema de lodo. Sin embargo, una vez que el yeso solubilizado haya agotado estos elementos qumicos, el pH disminuir porque el pH del yeso (6 a 6,5) es muy bajo. Esta reduccin del pH resultara en un aumento importante de la cantidad de calcio en el filtrado, vista que la solubilidad del calcio varia en relaci6n inversamente proporcional al pH.b. La reduccin del pH y de la alcalinidad y el aumento de la cantidad de calcio en el filtrado constituyen los indicadores ms confiables.c. Debido a la solubilidad relativamente limitada de la anhidrita y del yeso, los recortes pueden contener trazas del mineral. Esto es demostrado frecuentemente en los recortes por la presencia de bolitas blandas de material soluble en cido.d. La prueba cualitativa para el in sulfato debera indicar un aumento. Sin embargo, esta prueba tambin detecta el in sulfonato. La prueba carece de sentido si se usa lignosulfonato como dispersante principal, a menos que se efectu una comparacin con el lodo no contaminado.

5.2. Tolerancia del contaminanteTratamiento del lodo para la contaminacin de yeso/anhidrita:

a. Aumentar la concentracin de dispersante en el sistema. Los lignosulfonatos y lignitos son dispersantes eficaces en presencia de calcio. Este tratamiento puede ser suficiente, segn el intervalo perforado de anhidrita o yeso EI lignito causa la atrapamiento del in calcio, eliminndolo de esa manera. Si hay demasiado calcio, ser necesario usar carbonato de sodio (Na2CO3) para precipitarlo. b. EI pH debe ser mantenido dentro del rango de 9,5 a 10,5 con soda custica (NaOH) o potasa custica (KOH). Este rango de pH limita la solubilidad del yeso y aumenta el rendimiento del lignosulfonato.c. Cualquiera de los siguientes productos qumicos puede precipitar un aumento de la cantidad de calcio en el filtrado. La precipitaci6n del calcio con una fuente de iones carbonato es sumamente eficaz. Debido al bajo pH de la anhidrita/yeso (6 a 6,5), el carbonato de sodio constituye el carbonato preferido porque tiene un pH mas alto (11 a 11,4) que el bicarbonato de sodio (8 a 8,5). Cuando se mezcla carbonato de sodio en agua, el pH aumenta debido a la formaci6n de un in hidroxilo, de la manera siguiente:

Si los iones calcio estn presentes, estos se precipitarn como CaCO3 insoluble (caliza).La reaccin entre el carbonato de sodio y el yeso es la siguiente:

Una reaccin similar ocurre cuando se usa bicarbonato de sodio como precipitante. Los productos secundarios de la reacci6n son compuestos qumicos tales como el bicarbonato de calcio (Ca (HCO3)2), un material altamente soluble (segn el pH). Con la cantidad adicional de sosa custica para mantener el pH encima de 9,7, el in bicarbonato se convierte en carbonato. Luego reacciona con el calcio del filtrado para precipitar CaCO3. Sin embargo, el periodo intermedio durante el cual el in bicarbonato esta presente puede crear problemas que pueden ser casi tan graves como la contaminacin propiamente dicha. Por lo tanto se prefiere usar carbonato de sodio en vez de bicarbonato de sodio. Evitar el tratamiento excesivo con carbonato de sodio o bicarbonato.

Los fosfatos tambin tienen la capacidad de reaccionar con el calcio del filtrado. Esta reaccin produce un fosfato de calcio insoluble. Los materiales comunes de este tipo que estn disponibles incluyen:

Pirofosfato Acido de Sodio (SAPP) Na2H2P207 (pH 4,8).Tetrafosfato de Sodio (STP o PHOS) Na6P4O13 (pH 8,0).Los fosfatos estn limitados par su estabilidad trmica relativamente baja (aproximadamente 200F). Cuando se excede esta temperatura, los fosfatos se convierten en ortofosfatos. Como tales, no son eficaces como defloculantes pero aun son capaces de eliminar el calcio. Sin embargo, el carbonato de sodio constituye el producto preferido para tratar el calcio de la anhidrita o del yeso a temperaturas mayores de 200F.

5.3. Conversin de un sistema a base de calcioCuando se perforan grandes secciones de anhidrita o yeso, la magnitud de la contaminacin hace que sea prcticamente imposible mantener las propiedades de flujo y el control de filtrado deseables. Por lo tanto es necesario aadir sulfato de calcio para convertir el sistema en un sistema de lodo a base de calcio. EI lodo puede ser convertido en un lodo yeso mediante el tratamiento con sosa custica, lignosulfonato y yeso adicional. Un lodo yeso es un sistema de bajo pH, pero se requieren grandes cantidades de sosa custica para mantener el pH dentro del rango de dado de 9,5 a 10,5. Una "cresta" de viscosidad (aumento) ocurrir a medida que se aade el yeso adicional, pero con las adiciones apropiadas de agua, sosa custica y lignosulfonato, el tipo de lodo cambiara despus de una circulacin y la viscosidad disminuir. EI yeso es aadido hasta que no tenga ningn efecto perjudicial sobre las propiedades del lodo, despus de lo cual se mantiene un excedente de yeso (5 a 8 Ib/bbl) para alimentar las reacciones qumicas que se estn produciendo. Los niveles tpicos de calcio varan de 600 a 1.200 mg/l en un lodo yeso, segn el pH EI lodo tambin puede ser convertido en lodo clcico mediante la aplicacin del tratamiento qumico que acabamos de describir. Para convertir el lodo en lodo clcico, se aade una cantidad adicional de cal en vez de yeso, manteniendo un excedente. Para mantener un excedente de cal, la mayora de la cal debe permanecer insoluble. Por lo tanto, el pH del lodo clcico debe ser controlado en exceso de 11,5, mediante adiciones de sosa caustica y cal. La sosa custica reacciona con el sulfato de calcio para producir cal adicional, de la manera indicada par la siguiente ecuacin:

El lodo resultante tratado con cal requiere una cantidad anormal de soda custica para mantener el excedente de cal, si se estn perforando grandes cantidades de anhidrita o yeso. Por lo tanto, se prefiere generalmente usar un lodo yeso. Ambos lodos requieren la adicin de un agente de control de filtrado que no sea demasiado sensible al calcio.

5.4. Contaminacin con cementoEn cada pozo que se perfora existe la posibilidad de perforar a travs de cemento. Las nicas circunstancias bajo las cuales el cemento no es un contaminante son cuando se usa agua clara, salmueras, lodos a base de calcio o lodos base aceite, o cuando el cemento esta totalmente fraguado en un sistema de bentonita de bajo pH. El cemento puede tener efectos muy perjudiciales sobre las propiedades del lodo. La severidad del contaminante depende de factores tales como el tratamiento qumico anterior, el tipo y la concentracin de slidos, la cantidad de cemento perforado, y la medida en que el cemento se fraguo en el lodo. Debemos recordar que la barita a granel puede ser contaminada ocasionalmente por cemento durante el transporte o en el equipo de perforacin, y puede causar una contaminacin de cemento grave, aunque no se haya anticipado ninguna.

EI efecto inicial de la contaminacin de cemento es la alta viscosidad, altos esfuerzos de gel y el descontrol del filtrado. Esto resulta del aumento del pH y de la absorcin del in calcio en las partculas de arcilla, causando la floculacin. Contaminacin de cemento5.4.1 Sntomas

Aumento de la viscosidad y de IDS esfuerzos de gel.

Aumento de pH, Pm y Pf (especialmente Pm).

Mayor filtrado.

Mayor excedente de cal y calcio soluble (despus).

El Cemento es un silicato de cal complejo, Ca (OH)2. AI solubilizarse en agua o en la fase acuosa de un fluido de perforacin, produce una abundancia de iones hidroxilo (OH-).

La reaccin anterior es reversible y representa un equilibrio entre la concentracin de cementa y el pH del lodo. La solubilidad de la cal disminuye a medida que el pH del lodo aumenta. Cuando el pH excede 11,7, la cal se precipita de la solucin. Por lo tanto, la cal se vuelve prcticamente insoluble a un pH mayor de 11,7 Y proporciona un excedente de cal no reaccionada, debido a la presencia de cemento no disuelto.

La indicacin principal de la contaminacin de cemento es un aumento importante del pH, de Pm y del excedente de cal calculado, tal como sea medido por Pm y Pf. Si la cantidad de cemento perforado es relativamente pequea, el problema no es grave. EI lodo contaminado puede ser eliminado en el vibrador o tratado con defloculantes y precipitantes. La etapa de la operacin de perforacin puede ser importante cuando se realiza el tratamiento de la contaminacin de cemento. Una pequea contaminacin puede ser tratada eficazmente para dejar un fluido satisfactorio en el pozo como fluido de empaque, pero en muchos casos no se toma suficiente tiempo para acondicionar el lodo correctamente. La contaminacin de cemento a altas Temperaturas de Fondo (BHT) debe ser tratada rpida y completamente para evitar la gelificacin o solidificacin que suele producirse a altas temperaturas. Las siguientes opciones deberan ser consideradas cuando se perfora una gran cantidad de cemento:

a. Si la operacin de cementar se efecta en una etapa intermedia o final, se debera considerar la posibilidad de usar agua en vez de lodo de perforacin para perforar el cemento. Esta opcin solo es viable cuando el cemento se encuentra en un pozo que esta totalmente revestido y cuando no hay ninguna comunicacin de presin a travs del cemento.b. Si es necesario usar el lodo de perforacin, Ios problemas de contaminacin pueden generalmente resolverse si la operacin de perforacin se encuentra en una etapa intermedia. A estas alturas de la operacin, se suele contar con suficiente tiempo para realizar el tratamiento y la dilucin gradual a fin de acondicionar el lodo correctamente.c. Si el pozo esta en la etapa de terminacin, seria necesario establecer un tiempo suficiente para tratar apropiadamente la contaminacin de cementa, si no, un problema de gelificacin podra desarrollarse. Si se usa un lodo clcico como fluido de empaque, el lodo podra ser tratado simplemente con defloculantes y mediante la dilucin. EI efecto del pH sobre la solubilidad del cemento dificulta el tratamiento con precipitantes, a menos que se cuente con suficiente tiempo para realizar la dilucin y la reduccin del pH. Los iones hidroxilo producidos por el cemento aumentan el pH, hacienda que el calcio (cemento) sea insoluble.Por lo tanto, un lodo muy contaminado puede tener propiedades de flujo tpicamente bajas, debido a la reaccin de intercambio de iones calcio, al alto pH, alta alcalinidad, alto Pm, bajo calcio de filtrado y al filtrado generalmente alto, segn la concentracin qumica del lodo. Siempre se debe tener mucho cuidado al realizar el tratamiento del lodo contaminado par cemento. Es posible que las bajas propiedades de flujo derivadas de las pruebas realizadas a bajas temperaturas no indiquen la condicin del lodo en el fondo del pozo, especialmente a las temperaturas de fondo mayores de 275F. La gelificacin producida par altas temperaturas puede constituir un problema grave con los lodos contaminados por el cemento.

5.4.2 Tolerancia del contaminanteTratamiento del fluido de perforacin para la contaminacin de cemento:

a. Aumentar la concentracin de defloculantes en el sistema. EI lignosulfonato y el lignito son muy eficaces en la presencia de calcio dentro de un amplio rango de pH. La mayora de Ios problemas de contaminacin de cementa pueden ser tolerados de forma aceptable con este mtodo. Sin embargo, si se perfora una cantidad excesiva de cemento, el lodo puede ser convertido en un sistema de bajo contenido de cal, si las temperaturas lo permiten.b. EI cemento aumenta la alcalinidad al volverse soluble. Por lo tanto, lo es necesario aadir sosa custica con Ios defloculantes. EI bajo pH de Ios defloculantes como el lignito y el SAPP compensa algunos de Ios iones hidroxilo generados par el cemento. Esto ayuda a reducir el pH y Pm, lo cual aumenta la solubilidad del cementa (y calcio), permitiendo la precipitacin.c. EI calcio de filtrado disponible puede ser precipitado par el bicarbonato de sodio o el SAPP. Hay diferentes opiniones acerca de cual de estos productos es ms eficaz, pero el bicarbonato de sodio reduce el pH y Pm de la misma manera que el SAPP.d. Si el cemento es perforado con un sistema de polmetros, Ios polmeros sern hidrolizados par el alto pH y precipitados par el calcio (Ca). Por lo tanto, es necesario reducir el pH y separar el calcio (Ca2+) por precipitacin lo antes posible.e. En este caso, el cido ctrico (H3C6H507) es el aditivo que se debe usar. Este precipita el cemento como citrato de calcio y reduce el pH. Tratamiento con acido ctrico:

f. La utilizacin de Ios equipos de eliminacin de slidos para eliminar las partculas finas de cemento constituye otro mtodo para reducir la contaminacin. De esta manera se retira el cementa antes de que este pueda disolverse a un pH ms bajo.

EI bicarbonato de sodio es un excelente agente de tratamiento para la contaminacin de cemento, porque precipita el calcio y reduce el pH. Segn el pH del fluido, el bicarbonato de sodio forma iones carbonato (CO3 2=) Y bicarbonato (HCO3-), Ios cuales precipitaran el calcio para formar carbonato de calcio (caliza) la manera indicada a continuacin:

EI usa de bicarbonato reduce el pH. Esto resulta de la reaccin de HCO3 con NaOH requerida para convertir HCO3 en CO3. Cuando se usa bicarbonato de sodio, el objetivo es proporcionar una fuente de iones carbonato y bicarbonato que se combinaran con Ios excedentes de iones cal y calcio. Uno de Ios problemas que surge frecuentemente con este tipo de tratamiento es el uso de una cantidad excesiva de carbonatos. Si la cantidad de carbonatos presentes excede la cantidad requerida para precipitar el calcio, Ios problemas del lodo relacionados con Ios carbonatos pueden surgir. En general, la mejor manera de proceder consiste en tratar inicialmente la contaminaci6n de cementa con una cantidad insuficiente, observando Ios resultados antes de realizar tratamientos adicionales.

Otro mtodo de tratamiento del cemento consiste en usar SAPP (fosfato). Los fosfatos eliminan eficazmente el calcio y ayudan a dispersar el fluido contaminado. Los fosfatos que se usan comnmente se convierten en ortofosfatos cuando las temperaturas exceden: 200F. En esta forma, Ios fosfatos dejan de ser eficaces como defloculantes, pero siguen eliminando el calcio con eficacia. Una ventaja adicional del uso de fosfatos es la reducci6n del pH, Pf Y Pm. EI SAPP tiene un pH de 4,8 y el PHOS tiene un pH de 8,0. Otra ventaja es que esta reacci6n no produce ninguno de Ios efectos secundarios dainos que pueden crear otros problemas del lodo. Se prefiere usar SAPP cuando se requiere lograr una reducci6n importante de Pm Si se requiere perforar una gran cantidad de cemento, ser necesario usar algn tipo de cido. Aunque se use bicarbonato para eliminar todo el calcio y el excedente de cal, se obtiene generalmente un pH demasiado alto. En estos casos, ser necesario combinar acido ctrico, SAPP, cido actico o lignito o lignosulfonato de bajo pH con el bicarbonato.Observacin: el carbonato de sodio no debe ser usado para tratar la contaminacin de cemento, debido a su alto pH.

5.5. Contaminacin con carbonatosLa contaminacin qumica causada por Ios carbonatos solubles es uno de Ios conceptos menos comprendidos y mas complicados de la qumica relacionada con fluidos de perforacin. La contaminacin de carbonatos/bicarbonatos resulta generalmente en la alta viscosidad de la lnea de flujo, un alto punta cedente y esfuerzos de gel progresivos, y podra causar la solidificacin del lodo. Estos aumentos de la viscosidad son producidos cuando Ios carbonatos y/o bicarbonatos floculan Ios slidos de tipo arcilloso en el lodo.

Las fuentes de carbonatos y bicarbonatos son las siguientes:

a. EI dixido de carbono (CO2) del aire se incorpora en el lodo a travs de las tolvas mezcladoras de lodo en los tanques de lodo, y mediante las descargas de los equipos utilizados para mezclar el lodo y eliminar los slidos. AI disolverse, el CO2 se transforma en acido carb6nico (H2CO3) y es convertido en bicarbonatos (HCO3) y/o carbonatos (CO3) segn el pH del lodo.

b. Los excedentes de carbonato de sodio o bicarbonato de sodio que resultan del tratamiento de la contaminacin de cementa o yeso.c. EI gas CO2 proveniente de la formacin y agua de formacin.d. Bicarbonatos y/o carbonatos de los productos secundarios de la degradacin trmica del lignosulfonato y del lignito a temperaturas mayores de 325F.Algunas baritas impuras contienen iones carbonato/bicarbonato. Las siguientes ecuaciones qumicas ilustran la manera en que el CO2 se disuelve para formar acido carbnico (H2CO3) y se convierte en bicarbonatos (HCO3) y/o carbonatos (CO3), segn el pH del lodo. Estas ecuaciones indican que las reacciones qumicas son reversibles de acuerdo con el pH. Por lo tanto, el CO3 puede transformarse de nuevo en HCO3, o incluso CO2, si se permite que el pH disminuya.

La siguiente figura muestra la distribucin del acido carbnico (H2CO3), de bicarbonato (HCO3) y de los carbonatos (CO3) en relacin con el pH.

Fig. 5.1 Equilibrio carbonato- bicarbonato5.5.1 Usando el anlisis qumico para identificar el contaminante de carbonato y bicarbonatoEI mtodo de pH/Pf usado para realizar el anlisis de carbonatos/bicarbonatos esta basado en la cantidad (ml) de acido sulfrico 0,02 N (H2SO4) requerida para reducir el pH de una muestra de filtrado de lodo, a partir de un pH existente hasta un pH de 8,3.

Esto cubre el rango de pH en el cual los hidroxilos y carbonatos existen. La Tabla 1 muestra que cuando no hay carbonatos, se requiere muy poca sosa custica para lograr los rangos tpicos de pH de los fluidos de perforacin, y que la Pf correspondiente tambin es baja. Ejemplos: pH 10, 0,0014 Ib/bbl de soda custica y Pf de 0,005, o pH 11, 0,014 Ib/bbl de sosa custica y Pf de 0,05. La Pf es baja porque la concentracin de iones OH (sosa custica) es baja. Se requiere una concentracin muy baja de iones hidrogeno (H) del acido sulfrico (H2SO4) para convertir los iones OH en agua (HOH) y reducir el pH a 8,3, (el punto final Pf). Sin embargo, si los iones carbonato existen, adems del hecho que los iones OH deben ser neutralizados de la manera indicada anteriormente, cada in carbonato debe ser convertido en un in bicarbonato mediante la adicin de acido sulfrico 0,02 N para lograr el punta final Pf del pH 8,3. Esto aumenta el valor de Pf (para un pH equivalente) en un filtrado que contiene carbonatos, en comparacin con un filtrado que no contiene carbonatos. Esta diferencia entre el valor de Pf cuando existen carbonatos y el valor de Pf cuando no existen carbonatos, y una medida del pH de la concentracin de hidroxilos hacen que sea posible calcular la concentracin de carbonatos y bicarbonatos. Una vez que se conoce la concentracin de carbonatos, se puede calcular la concentracin de calcio requerida para separar los carbonatos por precipitacin.pHNaOH

(lb/bbl)Pf

(cc 0.02N H2SO4)OH

(ppm)

70.00000140.0000050.0017

80.0000140.000050.017

90.000140.00050.17

100.00140.0051.7

110.0140.0517

120.140.5170

131.451,700

14145017,000

Tabla. 5.1 Relacin entre el pH y la alcalinidad par el agua puraEI mtodo de Pf/Mf usado para realizar el anlisis de carbonatos / bicarbonatos esta basado en la cantidad (ml) de acido sulfrico 0,02 N requerida para reducir el pH de una muestra de filtrado de lodo, desde un pH existente hasta un pH de 8,3 y un pH de 4,3, respectivamente. Este rango tambin cubre el rango de pH en el cual existen los carbonatos, los bicarbonatos y el cido carbnico.Como se menciono anteriormente, cuando no hay carbonatos, se requiere muy poca sosa custica para lograr los rangos tpicos de pH de los fluidos de perforacin, y los valores correspondientes de Pf y Mf son bajos. Sin embargo, si los iones carbonato bicarbonato existen, adems del hecho que los iones hidroxilo deben ser neutralizados, cada in carbonato debe ser convertido en un in bicarbonato mediante la adicin de acido sulfrico para lograr el punta final Pf del pH 8,3. Esto aumenta el valor de Pf para un pH equivalente cuando iones carbonato- bicarbonato estn presentes, en comparacin con un lodo que no tiene iones carbonato/bicarbonato. Cuando todos los carbonatos han sido convertidos en bicarbonatos y despus de alcanzar el punta final de Pf 8.3, se debe aadir cido sulfrico 0,02 N para convertir todos los bicarbonatos en acido carbnico, antes de lograr el punta final de Mf 4,3.

Si no existe ningn in carbonato/bicarbonato, no se producir ninguna reacci6n con los bicarbonatos en el rango de 8,3 a 4,3. Por lo tanto, el valor de Mf ser ligeramente ms alto que el valor de Pf. Pero si la concentracin de carbonato- bicarbonato es alta, el valor de Mf ser mucho ms alto que el valor de Pf. Como este mtodo no constituye un anlisis cualitativo como el mtodo de pH/Pf, algunas pautas deben ser establecidas.

a. Si el valor de Mf es inferior a 5 ml de cido sulfrico 0,02 N, generalmente no hay ningn problema relacionado con carbonatos.b. Si el valor de Mf es superior a 5 ml de acido sulfrico 0,02 N, Y la relacin Mf/Pf esta aumentando, es muy probable que la contaminaci6n de carbonatos haya ocurrido y se debera usar un mtodo de determinacin mas cuantitativo (tal como el mtodo de pH/Pf o el Tren de Gas de Garrett (GGT)).OBSERVACIONES: Altas concentraciones de lignito (o sales orgnicas como los acetatos o formiatos) en los lodos pueden causar un alto valor de Mf. Estos productos qumicos orgnicos amortiguan el pH entre 4,3 y 8,3. API 13 B-1 describe un clculo de Pf/Mf para las concentraciones de hidroxilo (OH), carbonato (CO3) y bicarbonato (HCO3), as como otro mtodo de P1/P2.

EI GGT tambin puede ser usado para determinar la cantidad de carbonatos. Este dispositivo estima el total de carbonatos en mg/l como CO3. EI total de carbonatos incluye HCO3 y CO3. Para convertir mg/l en mili moles/litro, dividir mg/ l por 60.

5.5.2 Tratamiento de un contaminante de carbonato/bicarbonatoEI tratamiento de este contaminante es complicado porque los iones HCO3 y CO3 pueden existir juntos a varios niveles de pH. Solo el in CO3 puede ser tratado con el calcio libre para formar el precipitado CaCO3. La coexistencia de CO3 y HCO3 forma un compuesto amortiguador que permanece al mismo nivel de pH pero con niveles crecientes de Pf y Mf. A medida que la zona amortiguadora de carbonato/bicarbonato se forma, el valor de Pf aumenta mientras que el pH permanece relativamente constante. Todos los iones bicarbonato no son convertidos en iones carbonato hasta que se alcance un pH de 11,7. Por lo tanto, los iones bicarbonato/carbonato coexisten en el rango de pH de 8,3 a 11,7 (ver la Figura anterior). La concentracin de HCO3 no tiene importancia cuando el pH es superior a 11,7.Como el bicarbonato de calcio [Ca (HCO3)2] es demasiado soluble para formar un precipitado, los iones HCO3 deberan ser convertidos en iones CO3 con (iones) hidroxilo. Para convertir HCO3 en CO3, el pH debera ser aumentado hasta por lo menos 10,3, pero sin exceder 11,3. Cuando se aade calcio libre al CO3, los dos reaccionan para formar CaCO3. EI carbonato de calcio (CaCO3) es un precipitado relativamente insoluble. Por lo tanto, una concentracin de calcio libre de 150 a 200 mg/l debera ser mantenida en el sistema. Si el pH es inferior a 10.3, la cal (Ca(OH)2) debera ser usada para aumentar el pH, porque constituye una fuente de iones hidroxilo y de calcio para precipitar los carbonatos. Si el pH esta comprendido entre 10,3 y 11,3, la cal y el yeso deberan ser usados juntos para proporcionar una fuente de calcio sin modificar el pH. Si el pH del lodo es superior a 11,3, pH al cual el calcio es poco soluble, se debera usar yeso como fuente de calcio y para reducir el pH.

La reaccin de cal y yeso para formar el carbonato de calcio se ilustra a continuacin:

Tratamiento con cal:

Reaccin con cemento

Varias aplicaciones de cal o yeso en varias circulaciones pueden ser necesarias para tratar completamente los carbonatos (CO3). Problemas graves del lodo pueden surgir si la contaminacin de carbonatos/bicarbonatos no es identificada y tratada correctamente. Si se permite que el pH del lodo baje hasta lo menos, los carbonatos, los cuales son beneficiosos en bajas concentraciones, se convertirn en bicarbonatos. Si esto ocurre, viscosidades y esfuerzos de gel muy altos pueden desarrollarse. La adicin de una gran concentracin de desflocular y sosa custica parece desflocular el lodo, pero lo que sucede realmente es que la adicin de soda custica convierte los bicarbonatos en carbonatos. Esto resulta en una reduccin importante de la viscosidad. Este fenmeno se repetir hasta que el problema sea correctamente identificado y tratado.La adicin de defloculantes puede ser necesaria para mejorar las propiedades de flujo despus de que los iones carbonato hayan sido neutralizados. Los tratamientos determinados par los siguientes mtodos estn diseados para eliminar todos los bicarbonatos y todos menos 20 milimoles/litro de carbonatos. Los grficos I y II presentan un anlisis cuantitativo de los iones carbonato y bicarbonato, con los aditivos correspondientes que son necesarios para la precipitacin. 5.6. Contaminacin de salLos tres tipos de sales de rocas naturales encontradas durante las operaciones de perforacin son la alita (NaCI), la silvita (KCI) y la carnalita (KMgCI3-6H20). Estas sales estn clasificadas por orden de solubilidad creciente. Otras dos sales comunes son el cloruro de magnesia (MgCI2) y el cloruro de calcio (CaCI2). Estas dos sales no existen naturalmente en la forma cristalina, debido a su extrema solubilidad. Sin embargo, ambas pueden existir individualmente, juntas o con otras sales disueltas en aguas irreductible.Un flujo de agua salada puede ser mucho ms perjudicial para las propiedades de flujo que la perforacin dentro de sal de roca, porque las sales ya estn solubilizadas y reaccionan ms rpidamente con las arcillas. Cuando se produce algn flujo de agua salada, la densidad del lodo debe ser aumentada para controlar el flujo antes de que se pueda tomar el tiempo de acondicionar las propiedades del lodo. En el caso de las sales, el mecanismo de contaminacin esta basado en las reacciones de intercambio catinico con las arcillas, la accin de masas par el catin predominante y, a veces, el pH. Los nicos sistemas sobres Ios cuales las sales disueltas no tienen casi ningn efecto son Ios sistemas libres de slidos, las salmueras, Ios lodos base aceite y algunos sistemas con bajo contenido de coloides. Los sistemas de lodo a base de bentonita no son afectados de diferentes maneras segn el origen de la sal, ya sea el agua de preparacin, agua salada, sal de roca o Ios flujos de agua salada. Los efectos iniciales son la alta viscosidad, altos esfuerzos de gel, un filtrado alto y un aumento importante del contenido de cloruros, acompaado por pequeos aumentos de la dureza en el filtrado del lodo. Se produce un intercambio catinico entre la sal y las arcillas para expulsar el in calcio de las partculas de arcilla, lo cual resulta en un aumento de la dureza. La deteccin de un aumento de cloruros no define el problema con suficiente precisin para determinar la mejor manera de tratar el lodo, ya que la prueba de cloruros no identifica el in o los iones metlicos que estn asociadas con Ios cloruros. Para lograr un mejor entendimiento de estas sales y de la manera de tratar la contaminacin en cada caso, las sales y/o sus cationes asociadas se describen separadamente.

5.6.1. Halita (NaCI)

La halita (sal comn) es la sal que perforada con ms frecuencia y constituye el principal componente de la mayora de Ios flujos de agua salada. EI efecto inicial sobre el lodo de perforacin es la floculacin de las arcillas causada par la acci6n de masas del in sodio. La viscosidad Marsh, el punta cedente, Ios esfuerzos de gel y el filtrado aumentan cuando se encuentra la halita. La presencia de halita puede ser confirmada par un aumento de Ios cloruros. Las arcillas se deshidratan cuando hay suficiente sodio y tiempo. Cuando esto ocurre, el tamao de la partcula disminuye debido a la reduccin de agua adsorbida. EI agua liberada se reincorpora a la fase continua del lodo, lo cual puede resultar en una ligera reduccin de la viscosidad plstica. Pero las partculas de arcilla deshidratada floculan, causando un alto punto cedente, altos esfuerzos de gel y un filtrado alto. EI filtrado aumentara en proporcin directa a la cantidad de cal que se ha incorporado en el lodo.

EI tratamiento del lodo incluye aadir suficiente dispersante para mantener las propiedades de flujo y la dilucin con agua dulce, a fin de obtener una reologa adecuada. Se debe continuar el tratamiento qumico hasta que las arcillas estn desfloculadas. Se requiere una cantidad adicional de soda custica para aumentar el pH. Esto depende de la cantidad de sal perforada y de si existe una cantidad suficiente para deshidratar todas las arcillas contenidas en el sistema. Si el pH disminuye hasta menos de 9.5, ser necesario aumentarlo con sosa custica para que los defloculantes base acido se vuelvan solubles a fin de ser eficaces. La halita pura tiene un pH de 7. Por lo tanto, cuanta ms halita se perfore, ms sosa custica ser requerida para mantener el pH a ms de 9,5. La halita tambin tiene un efecto sobre los instrumentos usados para medir el pH. Si se usa papel indicador de pH, la precisin de este papel ser afectada por la concentracin de cloruros y el papel indicara un pH ms bajo a medida que la concentracin de cloruros aumenta.

Si la halita es pura, el pH no debera sufrir ninguna reduccin de ms de una unidad hasta que se alcance la saturacin total del lodo. Sin embargo, es muy raro que se encuentre halita pura. Minerales asociadas tales como la anhidrita estn generalmente presentes en cierta medida, lo cual aumentara el calcio del filtrado. Por lo tanto, se suele aadir un poco de sosa custica con los defloculantes para mantener el pH dentro del rango apropiado.5.6.2. Silvita (KCI)

La contaminacin de silvita produce la misma reaccin en las propiedades del lodo y requiere el mismo tratamiento del lodo que la contaminacin de halita. Si el lodo no contiene cloruros, excepto los que se obtienen al perforar la sal de silvita, las lecturas de la valoracin del cloruro constituiran una medida precisa de la concentracin de iones potasio. Sin embargo, esto casi nunca ocurre. No es raro que estas sales estn interestratificadas. La valoracin cuantitativa del in potasio puede ser utilizada para identificar la cal como silvita pura o silvita parcial, a efectos geolgicos.

5.6.3. Carnalita (KMg.Cl3 6H2O)

La Sal compleja "carnalita" es relativamente rara. Sin embargo, esta sal existe en cierta medida en algunas partes de los Estados Unidos, Sudamrica, Europa y el Medio Oriente. Los problemas del lodo asociadas con la carnalita son graves y tienen dos aspectos:

a. Cuando esta solubilizada, dos cationes fuertes (calcio y magnesia) actan sobre las arcillas para causar la floculacin y la deshidratacin. Si este fuera el nico problema, el tratamiento del lodo no seria demasiado complicado.b. En la presencia de iones hidroxilo (OH-), el magnesia de la carnalita disuelta se precipita como hidrxido de magnesio (Mg (OH)2). Este precipitado (Mg (OH)2) es una sustancia gelatinosa espesa que acta como viscosificador. AI pH relativamente bajo de 9,9, hay suficientes iones hidroxilo presentes para que el precipitado tenga un profunda efecto sobre la viscosidad del lodo. EI magnesio solo puede ser precipitado por la sosa custica.5.7. Contaminacin de magnesio5.7.1. Sntomas Punta cedente inestable y filtrado.

Altos niveles de dureza despus de tratar el calcio con carbonato de sodio.5.7.2. Tratamiento

EI siguiente tratamiento es para pequeos niveles de contaminaci6n, tal como la contaminaci6n causada par el agua salada. NO se debe usar sosa custica para tratar una contaminaci6n masiva de magnesia (como la que causa la carnalita). Aumentar el pH del lodo hasta 11 con sosa caustica o potasa custica (KOH) para eliminar el magnesia (ver las Tablas 2 y 3).

Mantener el pH a este nivel para evitar que el magnesia se solubilice de nuevo a partir de Mg (OH)2.

5.8. Contaminacin de yeso o anhidrita5.8.1. Sntomas

Aumento de la viscosidad y de Ios esfuerzos de gel.

Aumento del filtrado.

Aumento de la cantidad de calcio soluble.

Posible disminucin de Pf y pH.

5.8.2. Tratamiento Precipitar o secuestrar el calcio soluble con fosfatos o carbonato de sodio. Reducir la viscosidad con tratamientos de lignosulfonatos y sosa custica. Reducir el filtrado con tratamientos de bentonita, y polmero. Dejar que el yeso o la anhidrita permanezca en el sistema para obtener un nivel de calcio soluble mayor de 600 mg/l. Controlar la viscosidad con el tratamiento de lignosulfonato, el pH con sosa custica, y el filtrado con bentonita y reductor de filtrado.

5.9. Contaminacin producida por el flujo de agua salada y gas5.9.1. Sntomas

Aumento del nivel de las presas de lodo.

Aumento de la velocidad de retorno del pozo.

5.9.2. Tratamiento

Parar la bomba.

Subir la sarta de fondo para despejar el buje de junta kelly.

Cerrar el pozo con un BOP (preventor de reventones).

Medir la presin de la tubera de perforacin y calcular la densidad de lodo adicional requerida para controlar el empuje.

Aumentar el peso del lodo hasta obtener la densidad requerida, hacienda circular el brote hacia afuera, a una velocidad de bombeo reducida.

Si se trata de una arremetida de gas, eliminar el gas del sistema usando el equipo de circulacin superficial y los desgasificadores.

Si se trata de un flujo de agua salada, descargar el agua salada en la superficie (si es posible), y acondicionar el fluido con cantidades adicionales de defloculantes y sosa custica.

Puede que sea necesario diluir la concentracin de iones NaCI con agua dulce. Pequeos tratamientos de cal y sosa custica tambin pueden requerirse para controlar el pH y Pf.5.10. Contaminacin de sulfuro de hidrgenoa. Sntomas Reduccin de las alcalinidades. Ligero olor ftido (huevo podrido) en la lnea de flujo.

El lodo o la tubera adquiere un color negro.b. Tratamiento

Aumentar el pH hasta un nivel comprendido entre 11 y 11,5 con sosa custica.

Amortiguar con Cal.

Aadir xido de zinc.

ANEXO E:ContaminanteIn ContaminanteTratamientoConcentracin de tratamiento (lb/bbl)

Dixido de carbonoCarbonato

BicarbonatoYeso para reducir el pH

Cal para aumentar el pH

Cal para aumentar el pHmg/l x Fw x 0.00100

mg/l x Fw x 0.000432

mg/l x Fw x 0.00424

Yeso o anhidritaCalcioCarbonato de sodio

SAPP

Bicarbonato de sodiomg/l x Fw x 0.000928

mg/l x Fw x 0.000971

mg/l x Fw x 0.00735

Cal o cementoCalcio e hidrxiloBicarbonato de sdio

SAPP

cido ctricolb/bbl excedente de cal x 1.135

lb/bbl excedente de cal x 1.150

lb/bbl excedente de cal x 1.893

Agua dura o saladaCalcio y magnesioSoda causticamg/l x Fw x 0.00116

Sulfuro de hidrgenoSulfuro (H2S, HS, S2)xido de zinc *

ms suficiente soda custica para aumentar el pH por encima de 10.5mg/l x Fw x 0.00091

Tabla 5.2 Tratamiento qumico en unidades inglesas.

Tambin pueden usarse otros compuestos de zinc tales como el zinc quelato o el carbonato de zinc. Un excendente siempre debe ser mantenido en el sistema.

OBSERVACIONES

1. Fw Es el % fraccin de agua de la retorta

2. Excedente de cal 0.26 (Pm-Pf x Fw)

CaS04 Ca2 SO4 2-

2Na2CO3 + H2O HCO3 + CO3 + 4Na+ + OH- (pH 11,3)

2NaOH + CaSO4 Ca(OH)2 + Na2S04

Ca (OH)2 + Ca2 + 2OH (pH) < 11.7

2(H3C6H507 .H2O) + 3 Ca(OH)2 Ca3(C6H507)2+ 8H20

NaHCO3 + Ca (OH)2 NaOH + H2O + CaCO3

PAGE 109CAPITULO 5 CONTAMINACION Y TRATAMIENTO

_1201502304.unknown

_1201502401.unknown

_1201501135.unknown