Aditivos
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Este documento describe los aditivos utilizados en la perforación de sondeos con circulación de lodos. Explica las funciones principales de los lodos de perforación, que incluyen la extracción de detritus, la estabilización de las paredes de la perforación y la compensación de presiones. También resume los diferentes tipos de aditivos como la bentonita, polímeros y productos para aumentar la densidad, que mejoran las propiedades de transporte y viscosidad de los lodos.
Aditivos
- 1. ADITIVOS PARA LA PERFORACIÓN DE SONDEOS CON CIRULACIÓN PARA SISTEMAS EN CIRCULACIÓN INVERSA, DIRECTA, ROTOPERCUSIÓN
- 2. Con la implantación de equipos móviles hidráulicos, a finales de los años 50, ha ido aumentando significa- tivamente el uso de lodos de perforación en la construcción de sondeos. Mediante el uso controlado de lodos de perforación, se consiguió cumplir las exi- gencias constantemente crecientes de los clientes en cuanto a sondeos más profundos y productivos. Gracias al uso lodos y aditivos de última generación, las técnicas actuales permiten al avance rápido, sin necesidad de entubación provisional, de las perfora- ciones para construcción de sondeos, piezómetros, instalaciones geotérmicas, voladuras, testigos conti- nuos, etc. Las ventajas técnicas y económicas de estos sistemas, en comparación con los métodos de perforación en seco, son indiscutibles. Como líder en la fabricación y suministro de materia- les para la construcción de sondeos, les ofrecemos un amplio surtido de productos para la preparación de lodos de perforación, tales como bentonitas, polí- meros, productos para aumentar la densidad y otros, avalados por la experiencia adquirida durante mu- chos de aplicación práctica. La perforación con lodos en la construcción de sondeos
- 3. � Velocidad de ascenso del lodo en la perforación. � Diferencia de densidad entre el lodo de perforaci- ón y el detritus. � Viscosidad del lodo. Especialmente en los procedimientos de perforación con rotación directa, hay que elegir el equipo de per- foración (tricono, varillaje y bomba de lodos) de tal modo que en el espacio anular de la perforación, se alcancen velocidades de ascenso del lodo entre 0,5 y 1,0 m/s. Como fórmula general valdría: Caudal mínimo de la bomba 110 l/min por pul- gada de diámetro del tricono Avance de la perforación < 4,5 m/h: aproxima- damente 130 l/min por pulgada de diámetro del tricono Avance de la perforación > 4,5 m/h: aproxima- damente 160 l/min por pulgada de diámetro del tricono Hay que evitar caudales de la bomba > 200 l/min por pulgada de diámetro del tricono. A causa del régimen turbulento que se crearía, se produciría un ensanchamiento de la perforaci- ón y un desgaste del tricono y del varillaje. Cuanto menor sea la diferencia de densidades entre los materiales perforados (aprox. 2,6 kg/l) y el lodo, tanto menor será su velocidad de sedimentación. La elevación de la densidad de un lodo de perforación con el objeto de mejorar su capacidad de transporte no es, sin embargo, razonable, ya que los lodos ricos en materiales sólidos reducen el avance de la perfo- ración y aumentan el riesgo de colmatación perma- nente de la zona de la perforación que se prevé explotar. En estos casos es preferible el uso lodos de perfo- ración pobres en materiales sólidos, cuya capacidad de transporte se regula por medio de la adición de aditivos que eleven su viscosidad. 2.2 Estabilización de la perforación Para la sujeción de las paredes de la perforación es necesaria, en principio, una presión en el lodo que supere la proveniente del agua subterránea y del terreno. De acuerdo con la experiencia, es suficiente para ello una sobre presión hidrostática de 2 m de 1 1.0 Antecedentes El desarrollo de la tecnología de perforación con lodos comenzó con la creación del procedimiento de perforación por rotación, método patentado en Ingla- terra por Beart en 1845. Originalmente se utilizó agua como lodo de perforación que, con el avance de los trabajos de perforación, se mezclaba con una masa creciente de partículas del sondeo y formaba un fango, calificado como “barro de sondeo”. La experiencia reveló que el barro de sondeo, especial- mente después de atravesar estratos con arcilla, presentaba mejores propiedades que la perforación con agua limpia. A partir de ahí, se empezaron a uti- lizar con éxito suspensiones de arcilla en agua, en vez de agua limpia. En 1921 se aplicaron por pri- mera vez lodos con barita en acuíferos con gran pre- sión hidrostática. En 1929 se agregaron productos químicos y polimeros solubles en agua para optimizar las propiedades del lodo. Hoy en día existen complejos sistemas de lodos para prácticamente todas las labores de perforación con circulación. Se denomina lodo de perforación a todos los líquidos y gases circulantes de forma controlada en el son- deo durante el proceso de perforación. 2.0 Funciones del lodo de perforación La función de los lodos puede resumirse en 5 puntos: � Extracción del detritus hacia el exterior. � Estabilización de la pared no entubada de la per- foración, impidiendo su colapso. � Compensación de presiones elevadas en acuíf- eros y yacimientos (agua / petróleo / gas). � Protección del acuífero para su posterior explota- ción. � Refrigeración y lubricación de las herramientas de perforación. La experiencia nos ha demostrado que no es posible satisfacer todos estos requisitos utilizando exclusi- vamente agua como lodo de perforación. Su utiliza- ción se limita, por tanto, a pocos casos particulares como, por ejemplo, perforaciones en rocas consoli- dadas, duras o poco permeables. 2.1 Extracción del detritus La extracción del detritus se determina por tres factores:
- 4. 2 columna de agua. Además, para que la presión creada por la columna de lodo sea efectiva y no se produzcan pérdidas de lodos es necesario impermeabilizar simultáneamente las paredes de la perfo- ración. La formación de una película (cake) de lodo en la pared de la perforación o la creación de una zona impermeable junto a ésta, depende de cuál sea el tamaño de los poros de las rocas perforadas. Distin- guimos tres casos: � El tamaño de los poros del terreno es mayor que el tamaño de las par- tículas de sólidos que se encuen- tran en el lodo. Este estado se presenta por regla gene- ral en las perforaciones en sedimentos sueltos, como estratos de grava y arena. Los sólidos en suspensión dispersos en el lodo de perforación (partículas de arcilla, láminas de bentonita, moléculas de polímeros de cadena larga) forman, en los huecos entre granos y capilares del estrato permeable, una estructura que mantiene el equilibrio de la presión en la columna de lodo. El medio de dispersión (agua) fluye lentamente a través de la estructura, con lo que los sólidos en suspensión se acumulan y la hacen cada vez más impermeable. Las partículas así acumuladas se califican aquí como “cake” (figura 1 / arena grava) Tabla 1: Productos normalmente utilizados para elevar la capacidad de transporte / viscosidad del lodo Infiltración de lodos en el acuífero (figura 1) Producto Bentonita activa Perforaciones con agua dulce CMC polianiónico Perforaciones con agua dulce – salada CMC técnico Perforaciones con agua dulce – salada Poliacrilamida Perforaciones con agua dulce pobre en materiales sólidos Hidroxietilcelulosa HEC Perforaciones con agua dulce – salada Contenido en Ca2- /Mg2+ >1500 ppm Goma Guar Perforaciones con agua dulce, sin bentonita Campo de aplicación recomendado
- 5. 3 � El tamaño de los poros es menor que el de las partículas de material sólido contenidas en el lodo. El medio de dispersión (agua) entra a presión entre los poros de la pared de la perforación, las partícu- las en suspensión se depositan en ella y con el tiem- po la taponan (figura 1 / arenisca - cake). Si el tamaño de los poros de la roca perforada sobre- pasa un determinado tamaño, se produce una pérdi- da de lodos. Para este caso se utilizan medios de taponamiento que, como consecuencia de su forma y tamaño, poseen la capacidad de fijarse en los espacios intergranulares de la roca permeable, redu- ciendo, por tanto, la pérdida de lodo o, incluso, ter- minando con ella completamente. (ver tabla 2) Junto a esta función de sujeción, es importante tam- bién la estabilización del hueco de la perforación ante problemas provocados por la hidratación de los componentes arcillosos de los materiales perforados (ver figura 2). Según el contenido en componentes expansivos de la roca perforada, pueden darse los siguientes casos: Alto contenido en componentes expansivos � Estrechamiento del sondeo, con lo cual el terreno perforado a menudo desarrolla propiedades plásticas. � Sin desprendimientos, aunque a menudo se for- man grumos de arcilla que se van pegando al varillaje de perforación, pudiendo llegar a blo- quearlo, aumentando, a la vez, la carga de trac- ción. � Rápido espesamiento del lodo por cargarse con detritus. Tipos de lodos de perforación para la estabilización de perforaciones no entubadas (Tabla 2) Aditivo Campos de aplicación recomendados Bentonita activa CMC polianiónico CMC Técnico Poliacrilamida Hidroxietilcelulosa HEC Polisacáridos (Goma guar) Material para taponar en todos los sistemas de lodos, ver hojas de datos adjuntas Estabilización de estratos de arena – grava en lodos de agua dulce Inhibición de arcillas en lodos de agua dulce – salada Inhibición de arcillas en lodos de agua dulce – salada Inhibición de arcillas en lodos de agua dulce – salada Inhibición de arcillas en lodos de agua dulce – salada Contenido en Ca2- /Mg2+ >1500 ppm Inhibición de arcillas en lodos de agua dulce Bentonita CMC puro HV CMC técn HV CMC técn LV HEC polímero PAA Polisacári- dos Resumen de características de los aditivos de perforación Tabla de valores: ++ = muy bueno / + = bueno / 0 = regular / – = malo Elevación de la viscosidad Estabilización de terrenos poco consolidados Inhibición de arcillas Estabilidad con sales NaCl /KCl Estabilidad con sales Ca2+ /Mg2+ Estabilidad a las variaciones de temperatura Estabilidad biológica ++ ++ ++ – ++ ++ ++ 0 0 – 0 – + ++ ++ 0 ++ ++ ++ + + + + 0 0 – – – ++ – – + + + + ++ – 0 0 0 0 + – ++ – – – + ++
- 6. 4 Bajo contenido en componentes expansivos � Aumento del diámetro de la perforación causado por el deterioro de la estructura de las paredes de roca y su consiguiente desprendimiento. � Subsiguiente caída, que, con el desarrollo de la hidratación, se agrava en zonas cercanas a la perforación. � Dispersión constante de los fragmentos produci- dos por la rotura del terreno inestable. Los polímeros de lodo inhibidores de la arcilla, dado el caso en combinación con cloruro sódico o potási- co, dificultan o retardan el desarrollo de las inestabi- lidades descritas, lo que permite también la perfora- ción de sondeos de diámetro constante bajo condi- ciones geológicas desfavorables (figura 3). 2.3 Compensación de altas presiones del terreno y acuíferos Cuando, durante los trabajos de perforación, se encuentran altas presiones del terreno o acuíferos hay que preparar, mediante el aumento del peso específico del lodo de perforación, una presión de la columna de lodos que impida la entrada de agua subterránea artesiana en la perforación. El incre- mento será tal que permita la obtención de una diferencia de presión de 2 m de columna de agua, como mínimo. Como forma de incrementar la densidad del lodo se utiliza creta molida (peso específico 2,6 kg/l) para densidades de lodo < 1,25 kg/l, así como barita (peso específico 4,2 kg/l) para mayores exigencias de densidad (ver hojas de datos en el anexo). Pellets de bentonita en diversos lodos de perforación (figura 2.) Pellets secos antes de su introducción en agua Pellets después de 24 horas Pellets después de 24 h. en lodo con polímero viscopol Pellets después de 24 h. en lodo de agua salada con polímero visocopol
- 7. 5 Registro continuo del diámetro de la perforación en dos sondeos (figura 3) Perforación con agua o bien (agua + bentonita) Perforación con agua o bien (agua + polímero)
- 8. 6 Ejemplo de cálculo de la densidad del lodo necesaria en caso de sobrepresión artesiana: Profundidad del acuífero artesiano: 50 m Presión del agua a los 50 m: 5,0 bares Sobrepresión artesiana a ras de suelo: 0,5 bares / 5 mca Densidad necesaria del lodo para compensación de la sobrepresión y creación de una presión diferencial de 2 mca (0,2 bares). Densidad del lodo (kg/l) = Sobrepresión artesiana + Diferencial de presión necesario + 1,0 Presión del agua en la zona de aporte Densidad del lodo (kg/l) = 0,5 + 0,2 + 1,0 5,0 Densidad del lodo (kg/l) = 1,14 kg/l Incremento de peso del lodo: t/m3 = W3 X (W2 - W1) W3 - W2 W1 = Densidad inicial del lodo kg/l W2 = Densidad de lodo requerida kg/l W3 = Densidad del aditivo para incrementar el peso kg/l Hay que tener en cuenta que los lodos cuya densi- dad se ha incrementado tienen que mostrar una mayor capacidad de transporte, por lo que el medio para incrementar el peso no debe sedimentarse, sino que tiene que mantenerse uniformemente distri- buido en el lodo. La base para que este sistema fun- cione es la bentonita activa. 2.4 Protección del acuífero a explo- tar mediante el lodo de perfora- ción La necesaria sobre presión hidrostática de la colum- na de lodo en comparación con la presión del agua subterránea en el acuífero provoca, como se ha des- crito, la penetración del lodo en el área próxima a la perforación y la formación de una zona impermea- ble. A fin de conseguir el que el agua del acuífero fluya libremente hacia el sondeo durante su explota- ción, es necesario lavar previamente esta zona impermeable. Por ello, en la medida en que sea posible, habrá que utilizar de forma controlada un lodo de polímeros pobre en materiales sólidos. La pequeña proporción de material sólido, junto con el uso de polímeros en el lodo que reduzcan la filtración hace que se forme un cake de poco espesor, fácilmente eliminable. En la práctica, a este respecto, es fundamental con- trolar el buen funcionamiento del polímero utilizado, especialmente durante la perforación en la zona del acuífero. Para ello, entre otros parámetros, es nece- sario controlar el tiempo de filtración mediante el test del tiempo de filtración del agua (ver anexo de equipos de control de lodos). Valor adecuado para un lodo de perforación pro- tector del acuífero, según DVGW hoja W 116: Tiempo de filtración del agua: > 1000 s Para sondeos > 500 m se recomienda además el control directo del comportamiento de la filtración me- diante la prueba del agua a presión, según norma API. Valores indicativos: Agua a presión, según norma API < 10 ml Espesor del cake < 1 mm Para que el lodo se mantenga en buen estado y pro- teja el acuífero a explotar, hay que tener cuidado de que, durante este proceso, no se produzca ninguna recarga excesiva con finos procedentes de los mate- riales perforados. Los lodos ricos en materiales sóli- dos, a causa del incremento de su propio peso, según muestra la experiencia, penetran mucho en el acuífero, y forman cakes gruesos, que son difícil- mente eliminables. En tanto lo permita el estado de la perforación, en la zona que a explotar (DVGW hoja W 116), el lodo no debería sobrepasar el siguiente valor límite:: Valor indicativo de densidad de lodo: < 1,10 kg/l En el caso de que la densidad del lodo sobrepase este valor hay tomar las medidas correctoras adecu- adas, entre ellas la verificación de los cálculos reali- zados. En este contexto también hay que comprobar si está agotada la capacidad de absorción de la balsa/depósito de lodos y hay que proceder a vacia- dos provisionales. Aunque se respete el valor límite mencionado pueden aparecer además otros proble- mas, por ejemplo una rápida velocidad de ascensión Sistema de depósitos de lodos para un control efectivo de materiales sólidos.
- 9. 7 de los lodos podría ser responsable de una capaci- dad de transporte demasiado elevada. Esto puede comprobarse de un modo relativamente sencillo por la medición del tiempo de vaciado del embudo de Marsh (ver anexo de equipos de control de lodos): Valores indicativos recomendados: Tiempo de vaciado: 38 - 45 s Tiempo de vaciado del resto: 28 - 35 s Con estos tiempos de vaciado se obtienen por lo general capacidades de transporte suficientes para extraer los detritus y, asimismo, se facilita su sedi- mentación en la balsa/depósito de lodos. Viscosida- des mayores (mayores tiempos de vaciado) sin equi- pamiento adicional para control de sólidos (cribas / separador de arena / separador de limo / limpiador de fango) originan una rápida colmatación, con las consecuencias negativas descritas. Generalmente, es necesario anotar en hojas norma- lizadas, durante el proceso de perforación (ver anexo de hoja de control de datos), todos los pará- metros del lodo de perforación, incluyendo los tipos y cantidad de aditivos y agua añadidos. 3.0 Preparación de las diferentes mezclas de lodos La elección del lodo de perforación está determina- da, por regla general, por los siguientes parámetros: � Estabilidad del terreno � Permeabilidad del terreno � Distribución de presiones en el terreno � Método de perforación La utilización de agua sin aditivos como lodo de per- foración se limita a casos aislados, como por ejem- plo perforaciones en terrenos consolidados, estables y poco permeables (terrenos rocosos). En arenas y gravas sueltas estratificadas, sólo con agua no se consigue una estabilidad suficiente de la perforación. La aplicación de agua o lodo con bentonita pura en terrenos arcillosos o con sedimentos cohesivos debería utilizarse también con limitaciones. En este caso la carencia de propiedades inhibidoras y el ele- vado tiempo de filtración provocan generalmente un rápido aumento de los sólidos en suspensión en el lodo, a la vez que se produce el hinchamiento de las arcillas, la disminución del diámetro de la perforación y posibles desprendimientos. Además los poros libres del acuífero se van colmatando con los sólidos en suspensión (arena, limo, arcilla), lo que no suce- de cuando se utilizan correctamente los aditivos apropiados. En el caso de perforaciones en terrenos predomin- antemente arcillosos se recomiendan como únicos aditivos los polímeros PAA o CMC. En este caso se puede renunciar al uso de bentonita, ya que en el proceso de perforación se dispersan pequeñas can- tidades de la arcilla perforada en el lodo, que en combinación con el polímero forman un buen cake impermeabilizante. 3.1 Preparación de lodos para son- deos en sedimentos predomin- antemente arcillosos 1 m3 de agua + 2 kg de CMC puro o bien + 6 kg de CMC técnico o bien + 2 kg de PAA de alta viscosidad Al perforar capas de arena/grava y arcilla sucesivas, especialmente cuando las arenas y gravas se en- cuentran en los primeros metros de la perforación, hay que utilizar un lodo a base de bentonita y polimero. Por lo general sólo se usa bentonita en los primeros metros de la perforación. Posteriormente sólo es necesario añadir polímeros, ya que al perforar las capas arcillosas se producen suficientes sólidos es- pesantes que se mantienen en el lodo de perforación. Espumante para perforaciones por roto percusión en terrenos duros.
- 10. 8 3.2 Preparación de lodos – aplicación en los primeros metros de perforaciones en arena y grava 1 m3 de agua + 20 kg de bentonita (dejar en remojo por lo menos 1 h) + 1,5 kg de CMC puro de alta viscosidad o bien + 4,0 kg de CMC técnico de alta viscosidad En sondeos artesianos hay que utilizar lodos con bentonita y polímeros, incrementando su peso con creta molida hasta alcanzar la densidad requerida (ver la tabla 3 del anexo). Si se necesita aumentar la densidad del lodo para compensación de la presión del agua subterránea por encima de 1,25 kg/l, hay que agregar además barita. 3.3 Preparación de lodos pesados 1 m3 de agua + 20 kg de bentonita (dejar en remojo por lo menos 1 h) + 1,5 kg de CMC puro de alta viscosidad o bien + 4,0 kg de CMC técnico de alta viscosidad + x kg de creta molida o bien + x kg de barita (para obtener un peso específico > 1,25 kg/l) En este caso especial se utiliza esta mezcla también como complemento volumétrico. Complementos volumétricos Los complementos volumétricos para regular la viscosidad o bien para reducir el contenido en mate- riales sólidos (densidad) del lodo en circulación, deben prepararse con lodos de polímeros puros, o bien con pequeñas proporciones de bentonita (cuando sólo se perfora arena / grava) excepto en el caso de lodos pesados. 3.4 Preparación de lodos – complemento volumétrico 1 m3 de agua + 20 kg de bentonita (dejar en remojo por lo menos 1 h) + 1-2 kg de CMC puro de alta viscosidad o bien + 3-6 kg de CMC técnico de alta viscosidad La secuencia de preparación de los productos a mez- clar debe ser la siguiente: En primer lugar, sin excep- ciones, se verterá la suspensión de bentonita en agua libre de polímeros. Previamente hay que man- tener la suspensión como mínimo 1 h para que las partículas se hidraten. Por último se añaden los adi- tivos poliméricos. Para la mezcla de los productos, a fin de evitar gru- mos en el lodo, se han desarrollo inyectores que se instalan en el circuito de la bomba de lodos existen- te (ver más arriba). Si sólo hay que añadir pequeñas cantidades de polímero puede realizarse introduciéndolo en puntos de circulación turbulenta en el circuito. Inyector para la mezcla de lodos con polímeros Equipo universal de perforación Prakla con sistema de depósitos de lodos
- 11. 4.0 Pruebas de lodos de perforación Embudo de Marsh para determinación de la capacidad de transporte de lodos. � Cerrar el extremo inferior del embudo y llenarlo, a través del tamiz, con lodo hasta que la superficie de éste toque el borde inferior del tamiz (1500 ml). � Destapar el extremo inferior y medir con un cronó- metro el tiempo que tarde en vaciarse de 1000 ml de lodo = tiempo de vaciado AZ. � A continuación averiguar el tiempo de vaciado de los 500 ml de lodo que todavía se encuentran en el embudo, y anotarlo como tiempo de vaciado del resto (RAZ) Valores indicativos: AZ 38 – 45 s RAZ 28 – 35 s Equipo anular con papel filtrante para medición del tiempo de filtrado del agua � Poner un papel de filtro sobre la plataforma del equipo anular � Colocar el anillo metálico centrado sobre el papel de filtro � Rellenar hasta el borde con el lodo de perforación que se quiere probar la abertura cónica del anillo � Poner en marcha el cronómetro cuando la primera gota traspase el papel de filtro � Medir el tiempo transcurrido hasta que todo el papel de filtro esté empapado (visible en la parte externa del anillo) = Tiempo de filtrado del agua Valor recomendado > 1000 s Hidrómetro / aerómetro para la determinación del peso específico del lodo � Llenar con el lodo que se va a examinar el vaso que se encuentra en el extremo inferior del hidró- metro. Juntar vaso e hidrómetro, sin que entre aire � Sumergir el hidrómetro en un tubo lleno de agua � Leer la densidad del lodo directamente en la posi- ción de inmersión del hidrómetro Valor recomendado para lodo no pesado: < 1,10 kg/l 1 Papel de filtro tipo Schleicher y Schüll 2040 a, diámetro 50 mm Báscula de lodos e hidrómetro Embudo Marsh con medidor Equipo anular con papel filtrante para medición del tiempo de filtrado del agua, cronómetro
- 12. Pesa Engineering, S.A. C/ Torrox, 28 - 30 B 28041 Madrid · España Tel.: +34(0)917920330 Fax: +34(0)914759600 e-mail: pesaeng@pesa-gwe.es web: www.pesa-gwe.es PELLETS DE BENTONITA MASILLA SELLANTE 312.004.6