Fundamentos teoricos de filtracion

FUNDAMENTOS TEÓRICOS

En la perforación de pozos, los  fluidos de perforación o completación circulan a través de la formación permeable perdiéndose la fase continua hacia el interior de la formación, a esto se le denomina filtración; cuando se somete al lodo a una diferencia de presión  de la columna de fluidos mayor que la formación, depositándose sólidos o fase no continua sobre las paredes del pozo formando una capa denominada revoque. En los lodos  a base agua, el filtrado es agua y en un lodo a base aceite el filtrado es el aceite o gasoil.

         El lodo genera una presión hidrostática de la columna de fluido que debe ser mayor que la de formación por razones de seguridad originando un diferencial de presión entre la columna de fluidos del pozo y la formación positiva que por su naturaleza permeable provoca que parte de la fase líquida del lodo se filtre a través de las paredes de la misma. La filtración o pérdida de filtrado es el volumen de ese filtrado del lodo, que debe ser controlado durante la perforación o trabajos de completación para asegurar un funcionamiento exitoso del lodo, para lo cual es necesario el controlar la cantidad o velocidad de filtración, control del espesor y textura del revoque. Si la formación permeable y productiva o potencialmente productivas, las características filtrantes del lodo pueden ser extremadamente importantes.

Los caminos potenciales para el paso de hidrocarburos pueden ser bloqueados por una reacción adversa entre el filtrado y la formación o por la entrada de sólidos del lodo en el interior de la formación. La excesiva invasión por parte del filtrado puede cambiar las características de la saturación de fluidos en un amplio espacio vecino al pozo. Esto causa la difícil evaluación con perfiles eléctricos, mientras menor es el filtrado o la pérdida del mismo, mayor significancia tiene los perfiles.

En formaciones no permeables como de lutitas la pérdida por filtrado puede ser importante ya que este puede penetras las mismas a través de micro-fracturas o uniones de planos, determinando que las paredes del pozo se derrumben o se desprendan.

Existen varios mecanismos, por medio del cual los sólidos del lodo o el filtrado pueden reducir la productividad de un pozo. Estos se pueden resumir en los siguientes:

• Los fenómenos capilares que son efectos de la permeabilidad relativa de agua, petróleo y /o gas en los poros; efectos de mojabilidad y bloqueo de los poros por filtrados acuosos. Cuando el filtrado de lodo a base de agua invade una formación potencialmente productora de petróleo, desplaza al mismo la cual no toda es devuelta o expulsada cuando se pone a producir el pozo dañando así la productividad, llamado comúnmente bloqueo por agua.
• Hinchamiento y dispersión de las arcillas nativas de la formación por el filtrado del lodo.
• La penetración de la formación y  taponamiento de los poros, por partículas del lodo.
• Taponamiento de los empaques con grava, camisas y cedazos por el revoque del lodo.
• Precipitación mutua de las sales solubles en el filtrado y el agua de formación. Cuando el sistema arcilla salmuera están presentes, el comportamiento el comportamiento de la arcilla es determinado por las reacciones de cambio de base.
• Precipitación de arenas no consolidadas requiriendo partículas mayores de 50 micrones para formar puentes. Una arena no consolidada tiene un coeficiente de cohesión de cero y se derrumbará en el hoyo, a menos que se forme un revoque. La caída de presión a través del revoque aumenta la cohesión y reduce los esfuerzos compresivos alrededor del hoyo. Es esencial que el revoque se forme rápidamente debido a que el flujo turbulento alrededor de la mecha crea condiciones altamente erosivas y el ensanchamiento del hoyo es rápido.

FILTRADO API Y TIPOS DE FILTRADOS

El filtrado API es el ensayo que comúnmente se hace para medir la filtración; y se puede definir como, el volumen de la parte continua de un fluido de perforación que se recoja en el filtro prensa en un tiempo de 30 minutos a una presión de 100 lpc y a la temperatura ambiente. Existen dos tipos de filtración. La filtración dinámica esta tiene lugar cuando el lodo esta circulando, el revoque se erosiona y por lo tanto es más delgado que el revoque estático, pero sin embargo la perdida de filtrado es mayor. La filtración estática es cuando el lodo no esta en movimiento, el revoque se hace más grueso con el tiempo dado que el revoque restringe el flujo del filtrado.

Filtración Dinámica

Tiene lugar cuando el lodo está circulando o cuando la sarta rota.  Cualquiera de esas dos formas de movimiento erosiona el revoque.  Se alcanza un estado de equilibrio cuando la deposición sobre el revoque es igual a la erosión.  En ese punto se tiene que el espesor del revoque y la tasa de filtración permanecen constantes.  Ordinariamente, el revoque dinámico es más delgado que el revoque estático, pero la perdida de filtrado es mayor.

Filtración Estática

La filtración estática se mide por medio de dos ensayos estándar del API: uno a baja presión y otro a alta temperatura-alta presión.  El ensayo a baja presión se conoce generalmente como ensayo API, mientras que el segundo se menciona generalmente como HT-HP (higher temperature- higher pressure).

Las diferencias fundamentales son que el ensayo API se realiza a 100 Psi de presión y a Temperatura ambiente, mientras que el HT-HP se hace usualmente a 500 Psi de presión diferencial y a una temperatura por encima de 200 °F.

REVOQUE O COSTRA DE LODO

Es una capa impermeable que se forma en las paredes del pozo, el cual consiste en sólidos suspendidos que se depositan en un medio poroso permeable (formaciones) durante el proceso de filtración. Las paredes de la formación actúan como tamices, evitando que los sólidos penetren en la formación. Una vez que el revoque se ha estabilizado se constituye en una barrera impermeable que impide que ocurran más pérdidas hacia la formación, lo cual reduce el daño producido a la formación y los costos.

Funciones, característica e instrumento utilizado para medir el filtrado

Funciones:

• Mantener estables las paredes del pozo evitando derrumbes en el mismo.
• Evitar la excesiva invasión de filtrado, reduciendo así el daño a la formación.
• Controlar la pérdida de filtrado manteniendo una baja permeabilidad a través de una densidad de lodo adecuada y de los sólidos presentes en el mismo.
• Facilitar la interpretación de los registros eléctricos.

  Características:

El revoque debe ser delgado, resistente y uniforme, así como también debe ser impermeable, lo suficiente para evitar reducir excesivamente el espacio anular y para mantener un control adecuado de la filtración, reduciendo el daño a la formación. Además de esto, se debe controlar el espesor y textura del revoque, todo esto para garantizar un funcionamiento exitoso del lodo.  

• Delgado: Para evitar un problema operacional como una pega mecánica y facilitar la buena interpretación de los registros de pozos.
• Impermeable: para impedir la filtración excesiva del lodo mientras se perforan diversas zonas de la formación.

• Compresible: para que de esta manera un aumento de presión disminuya su permeabilidad por el reagrupamiento de las partículas.

• Resistente y Uniforme: Esto es para que pueda recubrir y sostener eficientemente la pared del pozo y así evitar los posibles derrumbes.

         Equipo utilizado:

Para la medición del espesor del revoque se utiliza la aguja Vicat, procediendo de la siguiente manera: se coloca sobre la placa porta muestra el papel filtro con el revoque lavado suavemente con agua, de modo que la aguja del equipo pueda atravesar el papel filtro. Por medio del tornillo ajustador, se toca la superficie del revoque con la aguja, ajustándolo en esta posición y fijando el soporte. Posteriormente se lleva el indicador movible de la escala a la lectura cero del extremo superior. Luego se libera el vástago, permitiendo así que la aguja Vicat, atraviese el revoque. Por último, se toma la lectura del indicador en la escala.  

Relación del volumen de filtrado con el tiempo

A medida que el tiempo transcurre la velocidad de filtrado disminuye, pues cuando comienza la filtración se tiene una permeabilidad inicial, pero a medida que avanza el tiempo disminuye porque en este tiempo  se ha depositado cierta cantidad de partículas sólidas en las paredes del pozo formando el revoque lo cual impide el paso del fluido a la formación.  Mediante una relación matemática, se puede establecer que la velocidad de filtración es directamente proporcional a la raíz cuadrada del tiempo. Esta relación se basa en la hipótesis de que la permeabilidad del revoque sea constante.

Q2: (t2/t1)1/q1   

Donde:  

   Q1: pérdida media (real) del filtrado en el momento  t1, en cm3.

              Q2: perdida cuadrada del filtrado en el momento  t2, en cm3.

              T1: intervalo de tiempo para la perdida de filtrado Q1, en min.

              T2: intervalo de tiempo para la perdida de filtrado Q2, en min.

Factores que afectan la filtración

• Tiempo: Mediante estudios de laboratorio se ha demostrado, que la cantidad de filtrado que pasa a la formación es proporcional a la raíz cuadrada del tiempo durante el cual actúa  la diferencial de presión que produce la filtración. Esta relación es solo una aproximación, puesto se basa en la hipótesis de que la permeabilidad del revoque es constante. Sin embargo, los estudios realizados han demostrado que esa relación es realista para casi todos los lodos .La ecuación es la siguiente:

                         q 2 = [pic 1][pic 2]  

                Donde:

• q1 = perdida medida (real) del filtrado en el momento t1 , en cm3.
•  q2  = perdida calculada del filtrado en el momento t2, en cm3.
•    t1 = intervalo de tiempo para la perdida de filtrado q1, en cm3.
•   t2 = intervalo para perdida de filtrado q2 en minuto.

• Temperatura: Un aumento de la temperatura eleva la velocidad de filtración porque, generalmente, la viscosidad del petróleo o del agua en la fase continua del lodo se reduce  y también, porque la alta temperatura produce cambios químicos en el lodo. En particular la solubilidad de los contaminantes que producen floculación aumenta y la eficacia de muchos aditivos para control de pérdida de fluido  y de los dispersantes disminuye a altas temperaturas.
• Presión: Los efectos de la presión sobre la velocidad de filtración depende en gran medida de las características del revoque .Si el revoque es  compresible , un aumento de la presión reduce su permeabilidad y disminuye la perdida de filtrado .Si el revoque es incompresible la velocidad de filtración varia con la raíz cuadrada de la presión .Un revoque incompresible , implica que la permeabilidad del mismo no es afectada por la presión .La compresibilidad del revoque depende del tipo, el tamaño y  distribución de los sólidos en dicho revoque.
• Características de los sólidos de lodo: Partículas pequeñas forman revoque de baja permeabilidad ya que están más compactas. Estas partículas se introducen como cuñas entre las partículas más grandes, formando así un revoque de baja permeabilidad. Las partículas finas y planas son más eficientes que las partículas esféricas o de forma irregular.  La distribución de los sólidos en el revoque está directamente relacionada con el grado de dispersión del lodo.

Pérdida de filtrado durante la perforación de un pozo

Para que la filtración pueda tener lugar en el pozo, debe haber una presión diferencial positiva entre el pozo y la formación, y la formación debe ser permeable. La presión diferencial es la diferencia entre la presión hidrostática del lodo y la presión de la formación. Se considera que esa presión diferencial es positiva si tiende a forzar el filtrado a la formación.

Una formación permeable tiene la capacidad de permitir que el fluido pase a través de ellas. El tamaño del espacio poroso influirá en el grado de conexión de los poros. Si el fluido no puede penetrar a través de las rocas, se dice que la roca es impermeable y por ende, no se puede formar revoque ni producirse pérdida de filtrado, como es el caso de las lutitas. El grado de invasión por parte del filtrado influirá directamente en el tamaño del revoque en las paredes de la formación, originando problemas operacionales como aprisionamiento de herramientas por presión diferencial, problemas de succión, suabeo, y otros.

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