El estudio de los fluidos de perforación

Los Hidrocarburos son compuestos orgánicos constituidos por átomos de Hidrógeno y Carbono, los cuales se combinan de maneras diferentes formando sustancias que varían desde el gas Metano hasta sustancias complejas. El petróleo es un ejemplo de esta mezcla de hidrocarburos de diferentes tipos, los cuales después de ser extraídos son sometidos a procesos de separación.

La historia del Petróleo nos dice que podemos encontrarlo en algunas rocas que constituyen la corteza terrestre, como es el caso de rocas sedimentarias donde existen espacios porosos capaces de alojar Hidrocarburos. En Areniscas y Calizas estos poros son numerosos e interconectados. A estas rocas se les conoce como Reservorios.

Durante millones de años el Petróleo migra a través del Reservorio hasta que encuentra una roca sello la cual impide su movimiento y empieza a acumularse, produciéndose de esta manera una Trampa. La localización de estas Trampas por diferentes métodos como levantamiento aéreo, exploración geológica y exploración geofísica, constituyen el paso inicial y necesario para poder tomar la determinación de perforar un pozo y verificar la existencia de Petróleo o Gas y luego extraerlo.

La perforación de pozos es conocida desde hace siglos. Ya para el año 1100 D.C. se habían realizado en China pozos de 3500 pies de profundidad para la extracción de salmueras, utilizando el método de percusión o golpeteo. Luego para el año 1900 se implemento el método Rotatorio, el cual utiliza un equipo especial llamado Taladro de Perforación, constituido por una serie de accesorios que han sufrido grandes modificaciones a través del tiempo, reduciendo de esta forma los tiempos y costos involucrados en este proceso.

El método rotatorio se caracteriza por dos elementos principales: la mecha de perforación actuando contra la formación y avanzando a través de ella, y la utilización de un fluido que permita la limpieza de los recortes hechos por la mecha.

En un comienzo ( 1901-1921 ), el fluido estaba constituido por agua mas los minerales que aportaban las formaciones atravesadas, sin ningún tipo de control por carecer de equipos para observar su comportamiento. El único aditivo utilizado era el agua. A este fluido se le dio el nombre de Lodo y se definió como: "Mezcla de agua con arcilla que permanece suspendida durante un tiempo considerable”.

Desde 1921 hasta el presente, se comienzan a controlar las propiedades del lodo de perforación., introduciéndose el uso de materiales densificantes como Sulfato de Bario, Oxido de Hierro, Oxido de Plomo, Materiales viscosificantes y de suspensión como la Bentonita. Es para 1931 cuando se introduce el uso del embudo Marsh, del Viscosimetro Stormer y técnicas de preparación y mantenimiento del lodo, para mediciones reológicas y no es hasta 1937 cuando se introduce el uso del filtro-prensa para determinar propiedades de filtración.

En la actualidad, el estudio de los fluidos de perforación se ha intensificado, desde el desarrollo de equipos sofisticados, con alta sensibilidad para determinar propiedades del lodo y formulación de nuevos sistemas acorde con las nuevas técnicas de perforación, con la única finalidad de poder realizar la búsqueda de los Hidrocarburos de una mejor forma, en menor tiempo y al menor costo posible.

Funciones principales de los fluidos de Perforación:

• Transportar los recortes (ripios) de perforación y los derrumbes de las paredes del pozo hasta la superficie.

La mecha a través de su paso por las diferentes formaciones existentes en el subsuelo, va produciendo gran cantidad de recortes en volumen equivalente al diámetro de la misma. Además, de estos ripios el hoyo perforado sufre derrumbes de sus paredes, bien sea por inestabilidad de la formación (Lutitas), o producido por efecto del contacto de la tubería de perforación y ensamblaje de fondo con las paredes del pozo.

Estos recortes y derrumbes poseen una gravedad específica que los hace más pesados que el fluido de perforación y por lo tanto están sometidos a la fuerza de gravedad y tienden a caer hacia el fondo del pozo. Para poder vencer esta fuerza de caída, se requiere que el fluido de perforación posea una velocidad suficiente para vencer la velocidad de caída de los ripios y derrumbes. Si el pozo no es limpiado en forma apropiada, este material se acumulara en el espacio anular ocasionando problemas de aumento de la torsión, del arrastre y de la presión hidrostática. Además, puede originar pega de tubería, reducción de la tasa de penetración y posibles pérdidas de circulación inducidas.

• Transmisión de energía o potencia hidráulica sobre la formación a través de la mecha

Durante el proceso de circulación el lodo va a través del interior de la tubería de perforación hasta la mecha donde es expulsado por los Jets o boquillas a gran velocidad, produciendo una fuerza hidráulica debajo de la mecha la cual es la encargada de remover constantemente los recortes hechos por la misma y poder enviarlos a la superficie. La no remoción de estos recortes o ripios puede ocasionar serios problemas como la reducción de la vida útil de la mecha, bajas tasas de penetración, etc. Para lograr una eficiente remoción de estos recortes, es necesaria una buena planificación a través del cálculo del tamaño de las boquillas a usar, las propiedades físicas del lodo de perforación, con la finalidad de obtener la velocidad optima de salida.

Esta fuerza hidráulica del lodo es de vital importancia en el caso de que se estén utilizando en el pozo Motores de Fondo, en el caso de perforación direccional u horizontal, ya que la misma es la que va a ser girar la mecha directamente.

• Suspensión de recortes, derrumbes y material densificante al detener la circulación.

Al momento de detener la circulación del lodo, la fuerza con la cual se están elevando las partículas en el espacio anular se hace cero. Por efecto de la gravedad y el peso de estas partículas, las mismas tenderán a caer hacia el fondo del pozo. Para evitar esto el fluido de perforación debe tener la capacidad de formar una estructura de gel al estar en reposo e igualmente al iniciar el movimiento por reinicio de la circulación, el fluido debe recuperar su fluidez en forma rápida. Esta propiedad evita la ocurrencia de problemas operacionales como pega de tubería, perdidas de circulación inducidas, arrastre y además es factor determinante en la perforación de pozos altamente inclinados y horizontales, donde la deposición de ripios juega papel importante para el éxito de la misma. Es de gran importancia también la suspensión de material densificante ( Barita, Hematita, etc ) , para poder mantener una presión hidrostática constante a través de toda la columna.

• Enfriamiento de la mecha y sarta de perforación

La mecha en su contacto con la formación genera calor por efecto de la fricción. Este calor debe ser absorbido por el fluido de perforación y ser llevado hasta la superficie a través del espacio anular. Además, es sabido que tanto la mecha, la sarta de perforación y el revestimiento, están sometidos constantemente a rotación y contacto. Algunas partículas contenidas en el lodo por su disposición sobre las paredes del pozo disminuyen la fricción y la abrasión. En algunos casos se añaden materiales especiales para mejorar sus propiedades lubricantes ( Gasoil, petróleo ), los cuales prolongarán la vida de la mecha, de la tubería de perforación por reducción de la torsión y arrastre, menor presión de bombeo y menor desgaste a la tubería de revestimiento.

• Suspensión de las tuberías de perforación y revestimiento

El equipo de perforación está constantemente sometido a grandes esfuerzos por efecto principalmente del peso de la tubería de perforación y del revestimiento. En la mayoría de los casos, este proceso puede exceder las 300 Toneladas.

El peso de estas tuberías esta parcialmente sostenido por el empuje ascendente del fluido de perforación ( Principio de Arquímedes ). Esta presión ascendente depende de la presión ejercida por el fluido sobre la sección transversal. El peso de la sarta de perforación y de la tubería de revestimiento en el fluido, es igual al peso de la misma en el aire multiplicado por un factor de flotación. Existe una relación inversa que se cumple: a mayor densidad del lodo, disminuye el peso de la tubería. La ecuación que rige el factor de flotación es la siguiente:

Ff = 1 - ( 0.015 x Densidad del fluido ) ( Lpg )

• Controlar las presiones de formación

El agua y los Hidrocarburos contenidos en el subsuelo están en la mayoría de los casos bajo presión. Al momento de perforar un pozo se están perturbando las condiciones naturales del yacimiento y por ende la de los fluidos entrampados en él, los cuales por diferencia de presión tratarán de salir incontroladamente a superficie.

El fluido de perforación debe proporcionar la presión necesaria para contrarrestar este flujo de fluidos provenientes de la formación a través de la presión hidrostática ejercida por el lodo sobre las paredes del pozo. Esta presión dependerá de la densidad del lodo y de la altura de la columna de fluido. El no detectar a tiempo estas presiones, puede originar Arremetidas, las cuales se pueden convertir en Reventones causando grandes y graves problemas.

• Sostener las paredes del pozo

Al penetrar una formación se suprime parte del apoyo lateral que ofrecen las paredes del pozo. El fluido de perforación debe servir de sostén de las mismas hasta que se introduzca la sarta de revestimiento

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