Emulsiones Aireada

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IV SEMINARIO DE FLUIDOS DE PERFORACIN Y COMPLETACIN

Formulacin de Emulsiones Aireadas como Fluidos de Perforacin de Baja DensidadDi Lorenzo M., Pazos D., Capriles D., Mario J., Snchez G. y Mrquez R.

PDVSA-Intevep, EPCP, P.O. Box 76343, Caracas 1070-A, Venezuela

SUMARIOLa necesidad de explotar yacimientos de baja presin ha motivado un creciente inters hacia los fluidos de perforacin de baja densidad, capaces de evitar daos a la formacin. Emulsiones aceite/agua de alta concentracin de fase interna han sido formuladas y aplicadas en el pasado, como base de fluidos tipo drill-in de baja densidad, presentando resultados prometedores. Para aplicaciones en yacimientos de ms baja presin la densidad de estos fluidos puede reducirse dispersando burbujas de gas en la fase acuosa de la emulsin, producindose as emulsiones aireadas. En este trabajo se establecen las condiciones de formulacin y mezclado requeridas para obtener, a escala de laboratorio, emulsiones aireadas con densidades comprendidas en el intervalo 3-7 lpg a 30 C y presin atmosfrica. Se investigaron los efectos de la concentracin de aceite, surfactantes y un viscosificante en solucin, as como del tiempo y velocidad de mezclado, sobre la formacin y estabilidad esttica del fluido. Se obtuvieron emulsiones aireadas con formulaciones que incluyen un emulsificante, un surfactante adicional y un agente viscosificante, con dimetros promedio de gota y burbuja de 8 y 200 micrones aproximadamente. Estos fluidos presentaron una buena estabilidad manteniendo su densidad constante por mas de 4 das. Se establecieron las bases para la aireacin del fluido utilizando mezcladores estticos y se llev a cabo el escalamiento con una prueba de campo, en la cual se obtuvo un fluido aireado de densidad de 5 lpg, a 30 C y presin atmosfrica. El estudio abre la posibilidad de introducir fluidos de perforacin aireados, basados en emulsiones, especialmente formulados para operaciones de perforacin y rehabilitacin en yacimientos de baja presin.

INTRODUCCION

La existencia de un gran nmero de yacimientos de baja presin en Venezuela, junto con el desarrollo y aplicacin de nuevas tecnologas, tales como la construccin de pozos horizontales y la perforacin bajo-balance, ha estimulado un renovado inters hacia la formulacin de fluidos de baja densidad1. Estos son fluidos multifsicos en los cuales una cierta cantidad de gas es introducida, de distintas formas, con el objetivo principal de reducir su peso. Los fluidos de baja densidad incluyen, en orden de densidad decreciente, o mayor contenido de gas, a los lodos aireados, las espumas y las neblinas. Entre stos, los fluidos aireados son aquellos que cubren un intervalo de densidades comprendido entre 3 y 7 lpg. En trminos generales, estos fluidos estn constituidos por una fase continua lquida, no necesariamente monofsica, en la cual el gas, usualmente aire o nitrgeno, se encuentra disperso, en forma de burbujas, de manera ms o menos fina y homognea. La concentracin volumen/volumen de gas incluido en la matriz fluida generalmente no sobrepasa el 60%. Por debajo de este lmite, las burbujas de gas, si estn distribuidas homogneamente en el interior del fluido, se encontrarn bien separadas unas de otras. A medida que nos acercamos a la superficie, la concentracin de burbujas, y por ende de gas, aumenta por efecto de las fuerzas de flotacin, formndose as una espuma superficial.

La estabilidad del fluido, definida como su capacidad de retener el gas y conservar su peso, depende principalmente del efecto de las fuerzas de flotacin, la presin capilar y las fuerzas de superficie responsables de la formacin de la espuma superficial, la difusin del gas y la coalescencia de las burbujas o ruptura de las lamelas en la espuma, respectivamente. Estas fuerzas, a su vez, dependen del tamao de burbuja, la viscosidad y constante dielctrica de la fase continua liquida y de las propiedades de la interfase liquido-gas, como son la tensin y la carga superficiales, as como de la adsorcin superficial de agentes tensoactivos. Entre las mayores ventajas de usar fluidos aireados durante la perforacin se han reportado 2: minimizacin de las prdidas de circulacin y del dao a la formacin, aumento de la tasa de penetracin, reduccin o eliminacin de pegas diferenciales de tuberas. Por otro lado, la compresibilidad y carcter multifsico del fluido hacen que sea muy difcil predecir con precisin parmetros de diseo y control fundamentales tales como la presin a fondo de hoyo, la capacidad de transporte de ripios y el comportamiento reolgico del fluido. Tambin hay que considerar que el uso de fluidos aireados puede requerir a menudo de equipos de superficie especializados para el tratamiento del gas y presurizacin e inyeccin, lo cual encarece el costo de la perforacin. No deben dejarse a un lado los problemas adicionales asociados con la presencia de oxigeno en el gas inyectado en el lodo, como son la corrosin de los equipos y el riesgo de explosiones. Los beneficios econmicos que se obtienen de la reduccin del tiempo de perforacin y el incremento en la productividad del pozo deberan exceder los costos tcnicos y econmicos asociados con las operaciones de perforacin basadas en los fluidos de baja densidad. El uso de fluidos aireados para perforacin de pozos se remonta a 1950 en los EE.UU.2, sin embargo, en las ms recientes aplicaciones en Venezuela, se han utilizado productos novedosos que incluyen el uso de esferas de vidrio huecas3 y los afrones coloidales gaseosos4. Segn nuestro conocimiento, no se han aplicado, hasta la fecha, fluidos de perforacin aireados donde la fase continua es constituida por una emulsin agua/aceite concentrada. Recientemente emulsiones aireadas han sido usadas en operaciones de rehabilitacin y terminacin de pozos5. Estas emulsiones constituyen la base del fluido desarrollado por PDVSA-Intevep, bajo la marca comercial Inteflow, que ha encontrado diversas aplicaciones como fluido drill-in base agua, de baja densidad y en operaciones de perforacin, completacin y rehabilitacin de pozos. Entre las propiedades ms relevantes de Inteflow podemos mencionar: su bajo contenido de agua (30% V/V), alta capacidad de lubricacin y enfriamiento, buena estabilidad frente a contaminaciones, alta capacidad de acarreo de ripios. Siendo una emulsin de aceite en agua de bajo contenido de fase acuosa, su densidad, entre 6,9 y 7,2 lpg, es menor que la de los fluidos base agua convencionales. Adems, debido a su alta rea

interfacial, la invasin de filtrados del fluido hacia la formacin se ve reducida, ya que el agua se encuentra atrapada en los intersticios (bordes de Platteau) y las pelculas entre las gotas de aceite, estabilizadas por las fuerzas interfaciales. En otros trminos, la alta concentracin de gotas microscpicas de aceite comprimidas en las caras de hoyo ofrece un taponamiento efectivo al paso de agua hacia el interior de la formacin. La alta viscosidad a baja tasa de corte de estas emulsiones, junto con su alta rea interfacial, abre la posibilidad de airear estos fluidos, introduciendo burbujas de gas en la fase acuosa, ya que estas quedaran virtualmente atrapadas dentro del conjunto muy denso de gotas de aceite, siempre que la estabilidad de la emulsin se preserve. Debido al conocido poder antiespumante de los aceites, la formulacin qumica es de particular importancia en estos casos, ya que, a travs de ella, se garantiza la formacin y estabilidad del sistema trifsico aceite-agua-gas. En este trabajo se discuten aspectos relacionados con la fsico-qumica interfacial de los fluidos de perforacin aireados, basados en emulsiones aceite/agua de alta concentracin de fase interna. Se definen, adems, como resultado de pruebas experimentales, las condiciones de formulacin y mezclado adecuadas para formar dichos fluidos con un contenido de aire entre 20 y 30% V/V y alta estabilidad esttica. El estudio, conducido a escala de laboratorio, ha establecido las bases para el escalamiento llevado a cabo en pruebas de campo.

FISICO-QUIMICA INTERFACIAL DE UNA EMULSION AIREADA

El fluido aireado basado en una emulsin es un sistema trifsico de fase continua agua y donde las fases internas, gas y aceite, se encuentran dispersas en forma de burbujas y gotas separadas de tamao pequeo. Todo proceso que lleve a la coalescencia de las gotas y de las burbujas entre si, o a una fusin de las dos fases dispersas, de alguna manera atenta contra la estabilidad del fluido. La integridad de la pelcula de agua entre dos gotas, dos burbujas o una burbuja y una gota garantiza entonces la estabilidad del sistema. Una adecuada formulacin del fluido debe basarse en una combinacin de agentes viscosificantes, para retardar el proceso de drenaje del agua fuera de la pelcula, junto con agentes tensoactivos, capaces de minimizar la energa interfacial del sistema y de estabilizar las interfaces, proveyendo fuerzas de separacin efectivas entre las caras de la pelcula. Existe una gran variedad de agentes emulsificantes para formar emulsiones de aceite en agua, as como surfactantes de alto poder espumante, sin embargo, en el sistema que nos interesa, tenemos una complicacin adicional que surge de la coexistencia de una dispersin de aire y de una aceite. El poder anti-

espumante de los aceites es un hecho bien conocido y empleado tecnolgicamente6. Este se basa en la capacidad del aceite de esparcirse sobre las superficies de las burbujas adyacentes y formar un puente entre ellas, desplazando as el agua del interior de la pelcula acuosa, que termina rompindose. El mecanismo se ilustra en la Fig.1.

GASAGUA ACEITE

GAS

A

B

C

D

Fig. 1. Mecanismo de ruptura de una pelcula acuosa en presencia de aceite: A: dos burbujas se acercan y atrapan a una gota de aceite, B: formacin de una pelcula pseudo-emulsion, C: Formacin de un lente de aceite, D: formacin de un puente de aceite que lleva a la ruptura