Pruebas Quimicas Lodos

CONTAMINANTES DEL LODO BASE AGUA

Un contaminante es cualquier tipo de material (sólido, líquido o gas) que tiene un efecto perjudicial sobre las características físicas o químicas de un fluido de perforación.

Los sólidos reactivos de baja densidad son contaminantes comunes en todos los fluidos de perforación. Estos sólidos se componen de sólidos perforados que se han incorporado dentro del sistema o que resultan del tratamiento excesivo con arcillas comerciales.

Los siguientes son los contaminantes químicos comunes de los lodos base agua:

1. Anhidrita (CaSO4) o yeso (CaSO4•2H2O).

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

3. Sal (sal de roca, agua de preparación, agua salada, magnesio, calcio y cloruro de sodio, y agua irreductible).

4. Gases ácidos, incluyendo el dióxido de carbono (CO2) y el sulfuro de hidrógeno (H2S).

Con excepción de los gases ácidos, estos contaminantes químicos están directamente relacionados a las reacciones de intercambio de iones con las arcillas. Por lo tanto, la concentración de sólidos de tipo arcilloso en un lodo base agua está directamente relacionada con la severidad con la cual el contaminante químico afecta las propiedades del lodo. La Capacidad de Azul de Metileno (MBC) constituye una buena indicación de la concentración de sólidos de tipo arcilloso. Los lodos con niveles de MBC inferiores a 15 lb/bbl son menos afectados por la contaminación química.

Una reacción de intercambio de iones puede ocurrir cuando la bentonita sódica está expuesta a los ambientes químicos que contienen altas concentraciones de otros iones metálicos, floculando inicialmente, y luego posiblemente convirtiendo químicamente la bentonita en una arcilla de rendimiento más bajo. Esto afecta la cantidad de agua adsorbida y el tamaño, la forma y la asociación de las partículas, produciendo la inestabilidad de la reología y del control de filtrado.

CONTAMINACIÓN DE ANHIDRITA O YESO

La anhidrita y el yeso son sulfatos de calcio y tienen composiciones químicas prácticamente idénticas. El yeso (CaSO4•2H2O), con su agua fijada, es más soluble que la anhidrita (CaSO4).

La severidad de este contaminante depende principalmente de la cantidad perforada. Si se encuentra solamente una pequeña cantidad de un contaminante, éste puede ser tolerado mediante la precipitación del ion calcio. Si se encuentran grandes cantidades, el sistema de lodo debería ser convertido en un sistema a base de calcio. Los sistemas a base de cal y de yeso pueden tolerar la contaminación de anhidrita o yeso sin afectar negativamente las propiedades del lodo.

El efecto inicial de la contaminación 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 concentración del contaminante, la concentración de sólidos reactivos y la concentración de desfloculantes químicos en el lodo de perforación.

Como se muestra a continuación, al solubilizarse en agua, el sulfato de calcio se ioniza en iones calcio y sulfato.

CaSO4 ↔ Ca2++ + SO42-

La solubilidad de CaSO4 es controlada por el pH, la salinidad y la temperatura. El aumento del pH y de la temperatura reduce la solubilidad del yeso, mientras que el aumento de los cloruros del lodo aumenta la solubilidad. La solubilidad del sulfato de calcio es reversible y alcanzará algún grado de equilibrio con el ambiente químico.

FACTORES DE DETECCIÓN

• La primera indicación de contaminación de anhidrita o yeso es el aumento de las propiedades físicas, incluyendo la viscosidad Marsh, el punto cedente y los esfuerzos de gel.

• Aumento de la cantidad de calcio en el filtrado. Es posible que este aumento inicialmente no resulte evidente si hay algún excedente de iones carbonato, bicarbonato o fosfato en el lodo, o si se está aumentando el pH del sistema de lodo. Sin embargo, una vez que el yeso solubilizado haya agotado estos elementos químicos, el pH disminuirá porque el pH del yeso (6 a 6,5) es muy bajo. Esta reducción del pH resultará en un aumento importante de la cantidad de calcio en el filtrado, visto que la solubilidad del calcio varía en relación inversamente proporcional al pH.

• La reducción del pH y de la alcalinidad y el aumento de la cantidad de calcio en el filtrado.

TOLERANCIA DEL CONTAMINANTE

Tratamiento del lodo para la contaminación de yeso/anhidrita:

1. Aumentar la concentración de desfloculante en el sistema. El lignosulfonato y el lignito son desfloculantes eficaces en presencia de calcio. Este tratamiento puede ser suficiente, según la cantidad perforada de anhidrita o yeso. El lignito causa la quelación del ion calcio, eliminándolo de esa manera.

Si hay demasiado calcio, será necesario usar carbonato de sodio (Na2CO3) para precipitarlo.

2. El pH debe ser mantenido dentro del rango de 9,5 a 10,5 con soda cáustica (NaOH) o potasa cáustica (KOH). Este rango de pH limita la solubilidad del yeso y aumenta el rendimiento del lignosulfonato.

3. Cualquiera de los siguientes productos químicos puede precipitar un aumento de la cantidad de calcio en el filtrado. La precipitación 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 más 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 formación de un ion hidroxilo, de la manera siguiente:

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

Si los iones calcio están presente, éstos se precipitarán como CaCO3 insoluble (caliza). La reacción entre el carbonato de sodio y el yeso es la siguiente:

Na2CO3 + CaSO4 ↔ Na2SO4 + CaCO3 (pH >11,3)

Una reacción similar ocurre cuando se usa bicarbonato de sodio como precipitante. Los productos secundarios de la reacción son compuestos químicos tales como el bicarbonato de calcio (Ca(HCO3)2), un material altamente soluble (según el pH). Con la cantidad adicional de soda cáustica para mantener el pH encima de 9,7, el ion bicarbonato se convierte en carbonato. Luego reacciona con el calcio del filtrado para precipitar CaCO3.

Los fosfatos también tienen la capacidad de complejar el calcio del filtrado. Esta reacción produce un fosfato de calcio insoluble. Los materiales comunes de este tipo que están disponibles incluyen:

Pirofosfato Ácido de Sodio (SAPP) – Na2H2P2O7 (pH 4,8)

Tetrafosfato de Sodio (STP o PHOS) – Na6P4O13 (pH 8,0)

Los fosfatos están limitados por su estabilidad térmica relativamente baja (aproximadamente 200ºF). Cuando se excede esta temperatura, los fosfatos se convierten en ortofosfatos. Como tales, no son eficaces como desfloculantes pero aún 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 200ºF.

CONVIRTIENDO EL SISTEMA EN UN SISTEMA A BASE DE CALCIO

Cuando se perforan grandes secciones de anhidrita o yeso, la magnitud de la contaminación hace que sea prácticamente imposible mantener las propiedades de flujo y el control de filtrado deseables. Por lo tanto es necesario convertir el sistema en un sistema de lodo a base de calcio.

El lodo puede ser convertido en un lodo yeso mediante el tratamiento con soda cáustica, lignosulfonato y yeso adicional. Un lodo yeso es un sistema de bajo pH, pero se requieren grandes cantidades de soda cáustica para mantener el pH dentro del rango deseado de 9,5 a 10,5. Una “cresta” de viscosidad (aumento) ocurrirá a medida que se añade el yeso adicional, pero con las adiciones apropiadas de agua, soda cáustica y lignosulfonato, el tipo de lodo cambiará después de una circulación y la viscosidad disminuirá. El yeso es añadido hasta que no tenga ningún efecto perjudicial sobre las propiedades del lodo, después de lo cual se mantiene un excedente de yeso (5 a 8 lb/bbl) para alimentar las reacciones químicas que se están produciendo. Los niveles típicos de calcio varían de 600 a 1.200 mg/l en un lodo yeso, según el pH.

El lodo también puede ser convertido en lodo cálcico mediante la aplicación del tratamiento químico que se acaba de describir. Para convertir el lodo en lodo cálcico, se añade una cantidad adicional de cal en vez de yeso, manteniendo un excedente. Para mantener un excedente de cal, la mayoría de la cal debe permanecer insoluble. Por lo tanto, el pH del lodo cálcico debe ser controlado en exceso de 11,5, mediante adiciones de soda cáustica y cal. La soda cáustica reacciona con el sulfato de calcio para producir cal adicional, de la manera indicada por la siguiente ecuación:

2NaOH + CaSO4 ↔ Ca(OH)2 + Na2SO4

El lodo resultante tratado con cal requiere una cantidad anormal de soda cáustica para mantener el excedente de cal, si se están perforando grandes cantidades de anhidrita o yeso. Ambos lodos requieren la adición de un agente de control de filtrado que no sea demasiado sensible al calcio.

CONTAMINACIÓN DE CEMENTO

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