Fluido de perforación

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En el día a día se utilizan muchos tipos de fluidos de perforación. Algunos pozos requieren el uso de distintos tipos en diferentes partes del pozo, o que algunos tipos se utilicen en combinación con otros. Los distintos tipos de fluidos generalmente se clasifican en categorías amplias: ^{[ 6 ]}

• Aire: El aire comprimido se bombea ya sea a través del espacio anular del pozo o a través de la propia sarta de perforación .
• Aire/agua: Aire con agua añadida para aumentar la viscosidad , limpiar el orificio, proporcionar mayor refrigeración y/o controlar el polvo.
• Aire/polímero: Se añade un producto químico especialmente formulado, generalmente un tipo de polímero , a la mezcla de agua y aire para crear condiciones específicas. Un agente espumante es un buen ejemplo de polímero.
• Agua: En ocasiones, el agua se utiliza sola. En la perforación en alta mar, normalmente se utiliza agua de mar durante la perforación de la sección superior del pozo.
• Lodo a base de agua (WBM): La mayoría de los sistemas de lodo a base de agua comienzan con agua, a la que se le añaden arcillas y otros productos químicos para crear una mezcla homogénea con una viscosidad entre la leche con chocolate y la malta. La arcilla suele ser una combinación de arcillas nativas que se encuentran suspendidas en el fluido durante la perforación, o tipos específicos de arcilla procesados ​​y vendidos como aditivos para el sistema WBM. El tipo más común es la bentonita , denominada "gel" en la industria petrolera. El nombre probablemente se refiere a la viscosidad del fluido, que es muy fino y fluye libremente (como la leche con chocolate) mientras se bombea, pero cuando se detiene el bombeo, el fluido estático se solidifica formando un "gel" que resiste el flujo. Cuando se aplica la fuerza de bombeo adecuada para "romper el gel", el flujo se reanuda y el fluido vuelve a su estado fluido. Muchos otros productos químicos (por ejemplo, formiato de potasio ) se añaden a un sistema WBM para lograr los efectos deseados, entre ellos: control de la viscosidad, estabilidad de la lutita, mejora de la tasa de penetración de la perforación y refrigeración y lubricación del equipo.
• Lodo a base de aceite (OBM): El lodo a base de aceite contiene un fluido derivado del petróleo, como el gasóleo. Se utiliza para aumentar la lubricidad, mejorar la inhibición de la lutita y lograr una mayor capacidad de limpieza con menor viscosidad. Además, soporta temperaturas más elevadas sin degradarse. El uso de lodos a base de aceite implica consideraciones especiales en cuanto a costos, aspectos medioambientales como la eliminación de los recortes en un lugar adecuado y las desventajas exploratorias de su uso, especialmente en pozos exploratorios . El uso de lodo a base de aceite interfiere con el análisis geoquímico de los recortes y núcleos, así como con la determinación de la gravedad API, ya que el fluido base no se puede distinguir del petróleo que se recupera de la formación.
• Fluido de base sintética (SBM) (también conocido como lodo de base de aceite de baja toxicidad o LTOBM): El fluido de base sintética es un lodo cuyo fluido base es un aceite sintético. Se utiliza con mayor frecuencia en plataformas marinas porque posee las propiedades de un lodo de base de aceite, pero la toxicidad de sus vapores es mucho menor. Esto es importante cuando el equipo de perforación trabaja con el fluido en un espacio cerrado, como una plataforma de perforación marina. El fluido de base sintética plantea los mismos problemas ambientales y de análisis que el fluido de base de aceite. ^{[ 7 ]}

En una plataforma de perforación , el lodo se bombea desde los depósitos a través de la sarta de perforación, donde sale a presión por las boquillas de la broca, eliminando así los recortes y enfriando la broca. El lodo transporta la roca triturada o cortada ("recortes") a través del espacio anular ("anillo") entre la sarta de perforación y las paredes del pozo, hasta llegar al revestimiento superficial, donde emerge por la parte superior. Los recortes se filtran mediante una criba vibratoria o la tecnología más reciente de cinta transportadora de esquisto, y el lodo regresa a los depósitos. En estos depósitos, los finos perforados se asientan y el lodo se trata añadiendo productos químicos y otras sustancias.

El lodo que regresa puede contener gases naturales u otros materiales inflamables que se acumularán en la zona de la criba vibratoria/transportadora o en otras áreas de trabajo. Debido al riesgo de incendio o explosión, se suelen instalar sensores de monitoreo especiales y equipos certificados a prueba de explosiones , y los trabajadores reciben capacitación en medidas de seguridad. El lodo se bombea de nuevo al fondo del pozo y se recircula. Se analizan las propiedades del lodo y se somete a tratamientos periódicos en las fosas de lodo para garantizar que posea las propiedades deseadas, optimizando así la eficiencia de la perforación y proporcionando estabilidad al pozo.

El fluido de perforación transporta la roca excavada por la broca hasta la superficie. Su capacidad para hacerlo depende del tamaño, la forma y la densidad de los recortes, así como de la velocidad del fluido que asciende por el pozo ( velocidad anular ). Estas consideraciones son análogas a la capacidad de un arroyo para transportar sedimentos. Los granos de arena grandes en un arroyo de corriente lenta se depositan en el lecho, mientras que los granos de arena pequeños en un arroyo de corriente rápida son arrastrados por el agua. La viscosidad del lodo y la resistencia del gel son propiedades importantes, ya que los recortes se depositarán en el fondo del pozo si la viscosidad es demasiado baja.

Otras propiedades incluyen:

• La mayoría de los lodos de perforación son tixotrópicos (su viscosidad aumenta en reposo). Esta característica mantiene los recortes en suspensión cuando el lodo no fluye, por ejemplo, al cambiar la broca.
• Los fluidos que presentan adelgazamiento por cizallamiento y viscosidades elevadas son eficaces para la limpieza de agujeros.
• Una mayor velocidad anular mejora el transporte de los recortes. La relación de transporte (velocidad de transporte / velocidad anular mínima) debe ser de al menos el 50 %.
• Los fluidos de alta densidad pueden limpiar los agujeros adecuadamente incluso con velocidades anulares más bajas (al aumentar la fuerza de flotación que actúa sobre los recortes).
• Las velocidades de rotación más altas de la sarta de perforación introducen un componente circular en el flujo anular. Este flujo helicoidal alrededor de la sarta provoca que los recortes de perforación cercanos a la pared, donde se presentan condiciones deficientes de limpieza del pozo, se desplacen hacia regiones de mayor transporte en el espacio anular. El aumento de la velocidad de rotación es uno de los mejores métodos para mejorar la limpieza del pozo en pozos horizontales y de alta inclinación.

Una de las funciones del lodo de perforación es transportar los recortes fuera del pozo.

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• El lodo de perforación debe mantener en suspensión los recortes de perforación y los materiales densificantes en una amplia gama de condiciones.
• Los detritos de perforación que se asientan pueden provocar obstrucciones y rellenos, lo que puede causar el atasco de las tuberías y la pérdida de circulación .
• El material denso que se asienta se denomina sedimentación, lo que provoca una gran variación en la densidad del fluido del pozo. Esto ocurre con mayor frecuencia en pozos de alta inclinación y pozos calientes.
• Las altas concentraciones de sólidos de perforación son perjudiciales para la eficiencia de la perforación porque aumentan el peso y la viscosidad del lodo, lo que a su vez incrementa los costos de mantenimiento y la dilución.
• Los recortes de perforación que quedan suspendidos deben equilibrarse con las propiedades de eliminación de recortes mediante equipos de control de sólidos .
• Para un control eficaz de los sólidos, estos deben eliminarse del lodo durante la primera circulación del pozo. Si se recirculan, los recortes se fragmentan en trozos más pequeños y son más difíciles de eliminar.
• Se debe realizar una prueba para comparar el contenido de sólidos del lodo en la línea de flujo y en el pozo de succión (para determinar si se están eliminando los recortes).

• Si aumenta la presión de la formación, se debe incrementar la densidad del lodo para equilibrar la presión y mantener estable el pozo. El material densificante más común es la barita . Una presión de formación desequilibrada provocará una entrada inesperada (también conocida como surgencia) de fluidos de la formación en el pozo, lo que podría causar una explosión por la presión del fluido de la formación.
• La presión hidrostática se calcula multiplicando la densidad del fluido de perforación por la profundidad vertical real y la aceleración de la gravedad. Si la presión hidrostática es mayor o igual que la presión de la formación, el fluido de la formación no fluirá hacia el pozo.
• Que un pozo esté bajo control significa que no haya un flujo incontrolable de fluidos de la formación hacia el interior del pozo.
• La presión hidrostática también controla la tensión derivada de las fuerzas tectónicas , que pueden provocar la inestabilidad de los pozos incluso cuando la presión del fluido de la formación está equilibrada.
• Si las presiones de formación expuestas en el pozo abierto son inferiores a lo normal, se puede utilizar aire, gas, niebla, espuma rígida o lodo de baja densidad (a base de aceite).
• En la práctica, la densidad del lodo debe limitarse al mínimo necesario para el control del pozo y la estabilidad del mismo. Si es excesiva, puede fracturar la formación.

• La presión de la columna de lodo debe superar la presión de la formación; en estas condiciones, el filtrado de lodo invade las formaciones permeables y se deposita una torta de filtración de sólidos de lodo en la pared del pozo.
• El lodo está diseñado para depositar una torta de filtración delgada y de baja permeabilidad para limitar la invasión.
• Pueden surgir problemas si se forma una torta de filtración gruesa: condiciones de pozo estrechas, mala calidad de los registros, tubería atascada, pérdida de circulación y daños a la formación.
• En formaciones altamente permeables con grandes gargantas de poro, el lodo entero puede invadir la formación, dependiendo del tamaño de los sólidos del lodo:
  • Utilice agentes de obturación para bloquear las aberturas grandes y permitir que los sólidos del lodo formen un sello.
  • Para que sean eficaces, los agentes de unión deben tener un tamaño superior a la mitad del de los espacios porosos/fracturas.
  • Los agentes de unión incluyen carbonato de calcio y celulosa molida.
• Dependiendo del sistema de lodo utilizado, una serie de aditivos pueden mejorar la torta de filtración (por ejemplo, bentonita , polímeros naturales y sintéticos, asfalto y gilsonita ).

• La composición química y las propiedades del lodo deben combinarse para lograr un pozo estable. La densidad del lodo debe estar dentro del rango necesario para equilibrar las fuerzas mecánicas.
• En pozos de alta presión y alta temperatura (HPHT), la selección y gestión del fluido de perforación son fundamentales para mantener la integridad del pozo y prevenir la inestabilidad en condiciones extremas en el fondo del pozo. ^{[ 8 ]}

• Inestabilidad del pozo = desprendimiento de formaciones, lo que puede provocar condiciones de pozo estrecho, puentes y obstrucciones durante las operaciones de entrada y salida (los mismos síntomas indican problemas de limpieza del pozo).
• Estabilidad del pozo = el orificio mantiene su tamaño y forma cilíndrica.
• Si se agranda el pozo, este se debilita y resulta difícil de estabilizar, lo que puede dar lugar a problemas como bajas velocidades anulares, una limpieza deficiente del pozo, acumulación de sólidos y una mala evaluación de la formación.
• En formaciones de arena y arenisca , el ensanchamiento del pozo puede ocurrir debido a acciones mecánicas (fuerzas hidráulicas y velocidades de las boquillas). Un sistema hidráulico conservador reduce el daño a la formación. Se sabe que una torta de filtración de buena calidad que contenga bentonita limita el ensanchamiento del pozo.
• En las lutitas, al utilizar lodo a base de agua, las diferencias químicas pueden provocar interacciones entre el lodo y la lutita que debilitan la roca nativa. Las lutitas muy fracturadas, secas y quebradizas pueden ser extremadamente inestables, lo que genera problemas mecánicos.
• Diversos inhibidores químicos pueden controlar las interacciones entre el lodo y la lutita (calcio, potasio , sal, polímeros, asfalto, glicoles y petróleo; especialmente útiles para formaciones sensibles al agua).
• Los fluidos de perforación a base de petróleo (y de aceites sintéticos) pueden utilizarse para perforar esquistos sensibles al agua en zonas con condiciones de perforación difíciles.
• Para aumentar la inhibición, se utilizan fluidos de perforación con fase de salmuera emulsionada ( cloruro de calcio ) para reducir la actividad del agua y crear fuerzas osmóticas que impidan la adsorción de agua por las lutitas .

• El daño en la piel o cualquier reducción en la porosidad y permeabilidad de la formación natural (lavado) constituye un daño a la formación.
• El daño en la piel se produce por la acumulación de residuos en las perforaciones, lo que provoca una caída de presión a través de ellas.
• Daños más comunes;
  • El lodo o los sólidos de perforación invaden la matriz de la formación, reduciendo la porosidad y causando un efecto de piel.
  • Hinchamiento de las arcillas de la formación dentro del yacimiento, reducción de la permeabilidad.
  • Precipitación de sólidos debido a la mezcla de filtrado de lodo y fluidos de formación, lo que resulta en la precipitación de sales insolubles.
  • El filtrado de lodo y los fluidos de formación forman una emulsión, reduciendo la porosidad del yacimiento.
• Los fluidos de perforación o los fluidos de reacondicionamiento y terminación, diseñados especialmente, minimizan los daños a la formación.

• El calor se genera por las fuerzas mecánicas e hidráulicas que actúan sobre la broca y cuando la sarta de perforación gira y roza contra el revestimiento y el pozo.
• Enfriar y transferir el calor lejos de la fuente y bajar la temperatura por debajo del fondo del pozo.
• De lo contrario, la broca, la sarta de perforación y los motores de lodo fallarían más rápidamente.
• Lubricación basada en el coeficiente de fricción . ("El coeficiente de fricción" indica cuánta fricción hay entre el lateral del pozo y el tamaño del collarín o de la tubería de perforación para extraer la tubería atascada). Los lodos a base de aceite y sintéticos generalmente lubrican mejor que los lodos a base de agua (aunque estos últimos pueden mejorarse con la adición de lubricantes).
• La cantidad de lubricación que proporciona el fluido de perforación depende del tipo y la cantidad de sólidos de perforación, así como del peso de los materiales y la composición química del sistema.
• Una lubricación deficiente provoca un par de torsión y una fricción elevados, así como el agrietamiento por calor de la sarta de perforación, pero estos problemas también pueden deberse a un asentamiento inadecuado de las chavetas, una limpieza deficiente del pozo y un diseño incorrecto de los conjuntos de fondo de pozo.
• Los fluidos de perforación también sostienen parte de la sarta de perforación o la tubería de revestimiento mediante flotabilidad. Al quedar suspendidas en el fluido de perforación, son impulsadas por una fuerza igual al peso (o densidad) del lodo, lo que reduce la carga en el gancho de la torre de perforación.
• El peso que puede soportar la torre de perforación está limitado por su capacidad mecánica; al aumentar la profundidad, aumenta el peso de la sarta de perforación y del revestimiento.
• Al tender tuberías o revestimientos largos y pesados, es posible utilizar tuberías de revestimiento cuyo peso exceda la capacidad de carga del gancho de la plataforma.

• La energía hidráulica alimenta el motor de lodo para la rotación de la broca y para las herramientas MWD ( medición durante la perforación ) y LWD ( registro durante la perforación ). Los programas hidráulicos se basan en el dimensionamiento de las boquillas de la broca según la potencia disponible de la bomba de lodo para optimizar el impacto del chorro en el fondo del pozo.
• Circunscrito a:
  • Potencia de bombeo
  • Pérdida de presión dentro de la sarta de perforación
  • Presión superficial máxima admisible
  • Caudal óptimo
  • La presión de la sarta de perforación disminuye más en fluidos de mayor densidad, viscosidad plástica y presencia de sólidos.
• Los fluidos de perforación con bajo contenido de sólidos y comportamiento pseudoplástico, como los fluidos poliméricos, son más eficientes en la transmisión de energía hidráulica.
• La profundidad puede aumentarse controlando las propiedades del lodo.
• Transferencia de información desde MWD y LWD a la superficie mediante pulsos de presión.

• Las propiedades químicas y físicas del lodo, así como las condiciones del pozo después de la perforación, afectan la evaluación de la formación.
• Los técnicos de registro de lodos examinan los recortes de perforación para determinar su composición mineral, la presencia visual de hidrocarburos y los registros de lodos que muestran la litología , la tasa de penetración (ROP), la detección de gases o los parámetros geológicos.
• Medición de registros geofísicos mediante cable: eléctricos, sónicos, nucleares y de resonancia magnética .
• Se aíslan las zonas potencialmente productivas y se realizan pruebas de formación y pruebas de vástago de perforación.
• El lodo ayuda a evitar la dispersión de los recortes y también mejora su transporte, lo que permite a los registradores de lodo determinar la profundidad de los recortes originados.
• Los lodos, lubricantes y asfaltos a base de aceite enmascararán los indicios de hidrocarburos.
• Por lo tanto, el lodo para la perforación de testigos se selecciona en función del tipo de evaluación que se va a realizar (muchas operaciones de extracción de testigos especifican un lodo neutro con un mínimo de aditivos).

• La sarta de perforación y el revestimiento en contacto continuo con el fluido de perforación pueden provocar algún tipo de corrosión .
• Los gases disueltos (oxígeno, dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno ) provocan graves problemas de corrosión;
  • Provocar un fallo rápido y catastrófico
  • Puede ser mortal para los humanos después de un corto período de tiempo.
• Un pH bajo (ácido) agrava la corrosión, por lo que se recomienda usar cupones de corrosión para monitorear el tipo y la velocidad de corrosión, así como para verificar que se utilice el inhibidor químico correcto en la cantidad adecuada. Un cupón de corrosión es una pequeña pieza de metal expuesta al proceso para evaluar el efecto que las condiciones corrosivas tendrían en otros equipos de composición similar.
• La aireación del lodo, la formación de espuma y otras condiciones de atrapamiento de O₂ _provocan daños por corrosión en un corto período de tiempo.
• Al perforar en fluidos con alto contenido de H₂S _, se eleva el pH y se añade un producto químico para eliminar sulfuros (zinc).

• La cementación es fundamental para la terminación eficaz de la zona y del pozo.
• Durante la bajada del revestimiento, el lodo debe permanecer fluido y minimizar los aumentos repentinos de presión para evitar la pérdida de circulación inducida por fracturas.
• La temperatura del agua utilizada para el cemento debe estar dentro de los límites de tolerancia de los cementeros que realizan el trabajo, generalmente 70 grados, sobre todo en condiciones invernales.
• El lodo debe tener una torta de filtración delgada y resbaladiza, con un mínimo de sólidos. El pozo debe tener un mínimo de recortes; los derrumbes o puentes impedirán que la tubería de revestimiento llegue al fondo. Haga circular el pozo hasta que esté limpio.
• Para cementar y completar la operación correctamente, el lodo se desplaza mediante lavados y cemento. Para mayor efectividad;
  • Agujero cerca de los medidores, utilice técnicas adecuadas de limpieza de agujeros, barridos de bombeo en TD y realice un recorrido del limpiador hasta la zapata.
  • Lodo de baja viscosidad, los parámetros del lodo deben ser tolerantes a las formaciones que se perforan y a la composición del fluido de perforación, flujo turbulento : baja viscosidad, alta velocidad de bombeo, flujo laminar : alta viscosidad, alta velocidad de bombeo.  
  • Fuerza del gel de barro no progresiva

• Lodo de agua dulce : Lodo de pH bajo (7,0–9,5) que incluye lodos de spod, bentonita, lodos naturales, lodos tratados con fosfato, lodos orgánicos y lodos tratados con coloides orgánicos. Ejemplo de lodo de pH alto: los lodos alcalinos tratados con tanato tienen un pH superior a 9,5.
• Lodo de perforación a base de agua que reprime la hidratación y dispersión de la arcilla. Los lodos a base de agua son el tipo de fluido de perforación más utilizado. Se componen de agua y diversos aditivos, como arcillas, polímeros y agentes densificantes. El lodo a base de agua se utiliza principalmente en pozos poco profundos y es eficaz para prevenir la hinchazón y desintegración de la formación de esquisto. Existen cuatro tipos: lodos de cal de pH alto, lodos de yeso de pH bajo, lodos de agua de mar y lodos de agua salada saturada.

• Lodos de bajo contenido de sólidos : Estos lodos contienen menos del 3-6% de sólidos en volumen y un peso inferior a 9,5  libras/gal. La mayoría de los lodos de este tipo son a base de agua con cantidades variables de bentonita y un polímero.
• Emulsiones : Los dos tipos utilizados son aceite en agua (lodos de emulsión de aceite) y agua en aceite (lodos de emulsión de aceite invertido).
  • Lodo a base de aceite : Los lodos a base de aceite contienen aceite como fase continua y agua como contaminante, y no como un elemento en el diseño del lodo. Por lo general, contienen menos del 5% (en volumen) de agua. Los lodos a base de aceite suelen ser una mezcla de gasóleo y asfalto, aunque también pueden basarse en petróleo crudo producido y lodo.

• • Lodos sintéticos (SBM) : Los lodos sintéticos se elaboran a partir de fluidos sintéticos y se utilizan en pozos profundos con temperaturas extremas. Los SBM poseen excelentes propiedades lubricantes y son menos tóxicos que los lodos a base de aceite (OBM).
  • Lodos a base de aire y espuma : Estos lodos utilizan aire o nitrógeno para crear una espuma que transporta los recortes de perforación a la superficie. Se emplean en pozos con formaciones muy porosas y propensas al derrumbe.

• • Lodos de alta densidad : Los lodos de alta densidad se utilizan en pozos con altas presiones y temperaturas. Están compuestos de barita y otros agentes densificantes y se utilizan para controlar la presión en el pozo y prevenir reventones.

• • Lodos no dañinos : Los lodos no dañinos están diseñados para evitar daños a la formación que se está perforando. Se utilizan normalmente en pozos donde la formación es susceptible de sufrir daños por el lodo de perforación.