Presentacin de PowerPoint
Docente: Ing.Elio Espdola
Universitarios:
Adriana Marcela Torres Sanchez.
Carmen Chavez Vaca
Alejandro Aramayo Ichaz.
Jicel Lorena Quispe Rueda
Jessica Rocha Borda.
Xiomara Mrida Rueda.
Semestre: 5 to
QUMICA DE LAS ARCILLAS
UNIVERSIDAD AUTNOMA JUAN MISAEL SARACHO
FACULTAD DE CIENCIAS INTEGRADAS VILLA MONTES
INGENIERA DE PETRLEO Y GAS NATURAL
Villa Montes, Mayo de 2014
OBJETIVOS GENERALES
Describir la qumica bsica de las arcillas
Analizar la importancia de la arcilla en la industria
petrolera
OBJETIVOS ESPECFICOS
Explicar los ciclos geolgicos de la arcilla.
Describir los constituyentes qumicos, clasificacin, hidratacin y
estructura de la arcilla
Describir el proceso de enlace de las partculas de las
arcillas.
Mencionar los principios bsicos del tratamiento qumico
INTRODUCCIN
Arcilla es un trmino genrico utilizado para describir los
sedimentos, suelos o rocas compuestos de partculas minerales y
materia orgnica de granos extremadamente finos.
Un ejemplo son las arcillas tipo Gumbo, estas casillas son
frecuentemente blandas y elstica cuando se mojan, pero se vuelven
duras cuando estn secas
Se estima que ms de 75% de las perforaciones son realizadas en
lutitas
INTRODUCCIN
En la industria de fluidos de perforacin ciertos minerales
arcillosos como la smectita, uno de los principales componentes de
la bentonita, son usados para proporcionar viscosidad, estructura
de gel y control de filtrado.
El trmino bentonita, segn sea para describir la motmorillonita
slida explotada comercialmente (la cual constituyen una forma de
smectita).
Geolgicamente la bentonita es una capa de ceniza volcnica
alterada.
CICLO GEOLGICO DE LAS ARCILLAS
PRIMERA ETAPA
Etapa de transporte desde las grandes profundidades de la tierra
a la superficie debido a movimientos tectnicos de fallas geolgicas,
terremotos, etc.
SEGUNDA ETAPA
Etapa de erosin o degradacin de las rocas debido a condiciones
climticas que imperan en la superficie.
CICLO GEOLGICO DE LAS ARCILLAS
TERCERA ETAPA
Etapa de transporte en superficie, las partculas pequeas son
transportadas por los ros hasta cuencas sedimentarias donde se
depositan.
CUARTA ETAPA
Etapa de enterramiento de las arcillas, debido a la deposicin de
ms material que llega a la cuenca sedimentaria, aqu, la arcilla
sufre cambios en su estructura, debido a efectos de presin y
temperatura.
QUINTA ETAPA
Es la etapa de granitizacin, donde las arcillas son
transformadas por procesos de isomorfismo en rocas de granito que
son roas ms antiguas y sin reaccin qumica.
IMPORTANCIA DE LAS ARCILLAS EN LOS FLUIDOS DE PERFORACIN
Arcillas en los fluidos:
Bentonita (gel, smectita, montmorillonita) para viscosidad y
control de filtrado en fluidos base agua.
Bentonita organofilica para viscosidad y control de filtrado en
fluidos base aceite.
Montmorillonita es un componente clave de Drilplex.
Atapulgita/sepiolita para viscosidad en salmueras y lodos de
alta temperatura.
Slidos perforados ayudan con el control de filtrado, peor
brindan viscosidad y geles no deseados.
IMPORTANCIA DE LAS ARCILLAS EN LOS FLUIDOS DE PERFORACIN
Arcillas en la roca:
En lutitas/mud rocks/ arcillas causan problemas de
perforacin.
En reservorios generan posibles problemas de dao a formacin.
CONSTITUYENTES QUMICOS
Constituyentes mayores:
Silice
Aluminio
Agua
Constituyentes menores:
Hierro
Magnesio
Potasio
Propiedades fsicas (detalles Estructurales):
Granos muy pequeos
Gran rea de superficie.
Reactividad qumica en esta superficie
TEORA DE LA DOBLE CAPA
Las partculas arcillosas en suspensin mantienen cargas en su
superficie, las cuales atraen cargas positivas de las cuales se
rodean. A esta combinacin de cargas elctricas positivas y negativas
a manera de un condensador se la conoce como Doble Capa
Electrosttica.
CAPAS OCTADRICAS (O)
Existen dos figuras bsicas de las cuales todos los minerales
arcillosos son constituidos:
La forma OCTADRICA O Capa Octadrica (O-Layer).
Esta consiste en dos lminas de hidrxidos u oxgenos estrechamente
cerrados en las cuales aluminio, hierro o magnesio se
encuentra.
CAPAS TETRADRICAS (T)
La otra forma constituyente es la forma o capa tetradrica.
En cada unidad tetradrica, un tomo de silicn esta situado en el
centro de un tetraedro, equidistante de 4 tomos de oxgeno.
Grupos oxidrilos pueden reemplazar a los tomos de oxgeno en caso
de necesidad de balance elctrico de la estructura.
CARGAS EN ARCILLAS
Cargas en arcillas son importantes porque determinan propiedades
como:
Intercambio de iones-cationes
Comportamiento de hinchamiento
Capacidad de viscosificar fluidos
Cargas puede venir de:
Extremos quebrados en partculas de arcillas
Sustitucin de iones en la estructura de la arcilla.
CARGAS EN ARCILLAS
Cuando una capa de arcillas es rota, los cantos expuestos tendrn
cargas desbalanceadas que pueden ser positivas o negativas.
En un medio ambiente acido, as cargas tendern a ser positivas,
en un medio ambiente alcalino, las cargas tendern a ser
negativas.
Una razn para mantener un PH alcalino en los fluidos de
perforacin es mantener las cargas de las arcillas negativas, cargas
negativas se repelern entre s y reducirn la tendencia a la
floculacin.
INTERCAMBIO DE IONES EN ARCILLAS
La carga negativa generada por la sustitucin isomorfa es
balanceada por cationes cerca de la superficie de la arcilla
Cationes de balanceo de cargas comunes son: Na, K, Ca, Mg; estos
cationes son fcilmente cambiables en montmorillonita.
La capacidad de intercambio catinico de una arcilla puede ser
medida con el test de azul de metileno (MBT) o a travs de un
anlisis qumico de cationes desplazados.
TIPOS DE ARCILLAS
Existe un gran nmero de minerales arcillosos, pero los que nos
interesan en relacin con los fluidos de perforacin pueden ser
clasificados en tres tipos.
Tipo I.- Atapulgita o sepiolita
El primer tipo consta de arcillas en forma de aguja no
hinchables como la atapulguita o la sepiolita.
Son arcillas en forma de aguja no hinchables. Debido a estas
caractersticas, estas arcillas demuestran un control de filtracin
muy dbil.
Por esta razn la atapulgita se la usa como mejorador de la
viscosidad en lodos base agua salada y la sepiolita como suplemento
viscosificador en pozos geotrmicos.
TIPOS DE ARCILLAS
Tipo II.- Ilita, clorita y kaolinita
El segundo tipo son las arcillas laminares no hinchables (o
ligeramente hinchables): ilita, clorita y kaolinita, las cuales
estn descritas ms adelante
Tipo II.- Montmorillonita
El tercer tipo son las montmorillonita laminares muy
hinchables.
El segundo y el tercer tipo de minerales arcillosos se
encuentran en las lutitas de las formaciones, en el orden siguiente
y en cantidades decrecientes:
Ilita.
Clorita
Montmorillonita/smectita.
Kaolinita
TIPOS DE ARCILLAS
La bentonita es una montmorillonita slida
O sea que se si se agrega montmorillonita al sistema para darle
viscosidad, controlas filtrado y brindar propiedades reolgicas.
Lo que quiere decir, que el resto de los otros tipos de arcillas
que se incorporan al sistema pueden ser considerados como
contaminantes, visto que no son tan eficaces como una arcilla
comercial.
TIPOS DE ARCILLAS
Las arcillas son generalmente de dos capas como la kaolinita o
del tipo de tres capas como montmorillonita, la clorita y la
ilita.
En agua dulce, las capas adsorben, se hinchan hasta el punto en
que las fuerzas que las mantienen unidad se debilitan y las capas
individuales pueden separarse de los paquetes.
La propiedad ms importante de la montmorillonita es la capacidad
de hinchamiento entre capas (hidratacin).
Las ilitas, cloritas tiene la misma estructura que la
montmorillonita, pero no muestran capacidad de hinchamiento entre
capas.
TIPOS DE ARCILLAS
La esmectita, ilita y capas mixtas de ilita y esmctica son
encontradas durante la perforacin de formaciones lutticas, causando
problemas relacionados con la estabilidad del hueco y mantenimiento
del fluido de perforacin
Esto est relacionado las cargas dbiles de las capas que producen
hinchamiento y la dispersin al entra en contacto con el agua.
A medida que nos vamos a mayores profundidades, la esmectita se
convierte gradualmente en arcillas de capas mixtas
ilitas/esmectitas y finalmente en ilita/mica, volvindose menos
hinchables pero ms dispersable en agua.
CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATINICO (CEC)
La cantidad de cationes por peso unitario de la arcilla es la
capacidad de intercambio catinico (CEC)
Est expresado en miliequivalentes por 100 gr de arcilla seca
(meq/100g).
La CEC de la montmorillonita est entre 80 a 150 meq/100 gr, de
las ilitas y cloritas entre 10 a 40 meq/100g, finalmente la de las
kaolinitas de 3 a 10 meq/100g de arcilla seca.
Esta prueba registra la capacidad de azul de metileno como
equivalente de bentonita de Wyoming requerida para obtener esta
misma capacidad.
CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATINICO (CEC)
Es importante destacar que la prueba no indica directamente la
cantidad de bentonita presente.
Sin embargo, la capacidad aproximada de bentonita y slidos en el
lodo puede ser calculada basndose en el hecho de que los slidos de
perforacin normalmente tiene un CEC equivalente a 1/9 de la CEC de
la bentonita.
Se calcula la cantidad de solidos de perforacin presentes en el
lodo a partir de un anlisis de retorta, junto con el MBT, se puede
determinar la cantidad y calidad de las arcillas en el lodo.
COMPOSICIN DE LOS LODOS BASE AGUA-ARCILLA
En la mayora de las reas, las arcillas comerciales son aadidas
al agua para preparar un lodo base agua. Las arcillas cumplen dos
funciones:
Proporcionar viscosidad al fluido de perforacin
Depositar un revoque que sellar las formaciones permeables para
limitar las prdidas por filtracin evitar el atascamiento de la
tubera
COMPOSICIN DE LOS LODOS BASE AGUA-ARCILLA
En los lodos base agua-arcilla, el agua constituye la fase
lquida continua en la cual ciertos materiales son mantenidos en
suspensin y otros materiales se disuelven.
La fase acuosa es la fase continua del lodo. Segn la ubicacin
y/o el agua disponible, sta puede ser agua dulce, agua de mar, agua
dura, agua blanda, etc.
La fase de slidos reactivos se compone de arcillas comerciales,
arcillas hidratables incorporadas y lutitas de las formaciones
perforadas que son mantenidas en suspensin de la fase fluida.
Varios aditivos sern usados para obtener las propiedades
deseadas.
Los slidos inertes son los slidos en suspensin que son
qumicamente inactivos. stos pueden ser slidos de perforacin inertes
tales como la caliza, dolomita o arena.
HIDRATACIN DE ARCILLAS
HIDRATACIN DE ARCILLAS-SMECTITA.
Es una arcial de tres capas. Una capa de iones adsorbentes y
agua entre las unidades de la tres capas.
La bentonita es tipo de Smectita.
Gran capacidad de Hidratacin en agua fresca.
Expande de 4-10 veces su tamao normal cuando se hidrata
totalmente
HIDRATACIN DE ARCILLAS
HIDRATACIN DE ARCILLAS-ITITA
Es una arcilla de tres capas.
Contiene iones potasio entre las tres unidades de capas.
No es hidratable.
Contribuye a la migracin de finos.
HIDRATACIN DE ARCILLAS
HIDRATACIN DE ARCILLAS-KAOLINITA.
Es una arcilla de tres capas.
Generalmente no expandible.
Contribuye a la migracin de finos.
HIDRATACIN DE ARCILLAS
HIDRATACIN DE ARCILLAS-CLORITA
Es una arcilla de cuatro capas.
Puede causar dao a la formacin por precipitacin de hierro si se
la acidifica.
Fotomicrografa de partculas de ARCILLAS- ITITA
HIDRATACIN DE CATIONES
Propiedades de Hidratacin en los intercambios de cationes tienen
una importante influencia en las propiedades:
Hidratacin de cationes dependen de sus cargas y tamaos.
Gran carga y pequeo dimetro de cationes son ms utilizado para
hidrataciones altas.
Bajas cargas y grandes dimetro de cationes son utilizados
generalmente para bajas hidrataciones.
HIDRATACIN DE CATIONES
El factor importante es el dimetro inico hidratado.
HIDRATACIN DE ARCILLAS
En fin, la smectita es claramente mucho ms reactiva que los
materiales arcillosos y las lutitas que contiene smectita son ms
sensibles al agua y las ms hidratables.
Como sabemos entre las capas de arcillas ha cationes, de acuerdo
a si estos son monovalente o multivalentes, tambin favorecen a la
hidratacin de la arcilla.
Un catin monovalente aumenta su dimetro hidratado y causa mayor
hinchamiento y mayor dispersin
PROCESOS DE ENLACE
Adems de conocer la cantidad y calidad delas arcillas de un
lodo, es importante conocer el estado de asociacin de las partculas
de arcilla.
Estos procesos de enlace deben ser comprendidos para entender y
controlar los cambios reolgicos en los fluidos de perforacin.
Las partculas de arcillas se asocian cuando est, en uno de los
siguientes estados:
Agregacin.
Dispersin
Floculacin o Defloculacin
PROCESOS DE ENLACE
Pueden estar en uno o varios estados de asociacin al mismo
tiempo, con un estado de asociacin predominante.
PROCESO DE ENLACE DE LAS PARTCULAS DE ARCILLAS, AGREGACIN
Resulta en la formacin de lminas o paquetes ms gruesos. Esto
reduce el nmero de partculas y causa una reduccin dela viscosidad
plstica.
Puede ser causa por la introduccin de cationes divalentes, tales
como el Ca ++, en el fluido de perforacin.
Existe un aumento inicial de viscosidad la cual disminuir con el
tiempo y la temperatura hasta llegar a valores inferiores del
inicial.
DISPERSIN
Reaccin contraria a la agregacin, resultado de un mayor nmero de
partculas y viscosidades platicas ms altas.
Las laminillas de arcillas son agregadas antes de ser hidratadas
y cierta dispersin ocurre a medida que se hidratan.
El grado de dispersin depende de la cantidad de electrolitos en
el agua, el tiempo y dureza.
DISPERSIN
Energa Mecnica causa dispersin delos agregados.
Energa mecnica puede tambin romper granos de material
indivisibles
La dispercin aumenta el rea de los slidos
FLOCULACIN
Es la asociacin de borde a borde y/o borde a cara de las
partculas, resultando en al formacin de una estructura similar a un
castillo de naipes.
Esto causa un aumento en la viscosidad, gelificacin y
filtrado.
Cualquier coso que aumenta las fuerzas repulsivas, entre las
partculas, tal como adicin de cationes divalente o temperaturas
altas, pueden provocar floculacin.
DEFLOCULACIN
Energa qumica es utilizada para deflocalar arcillas.
Es la disociacin de partculas floculadas. La defloculacin causa
una reduccin de la viscosidad.
Tambin permite la disposicin plana de las partculas de arcillas
en el revoque para reducir filtrado.
DEFLOCULACIN
Cambio de Ph.
Defloculantes qumicos
FACTORES QUE AFECTAN EL RENDIMIENTO DE ARCILLAS
Establecido como el nmero de barriles de lodo de 15 cp que se
puede obtener a partir de una tonelada de material seco.
Grandes adiciones de arcilla hasta 15cp aumentan poco la
viscosidad, mientras que pequeas cantidades de arcilla tienen un
marcado efecto sobre la viscosidad de ms de 15 cp.
Una suspensin de arcilla de 15cp, soportar la barita en sistemas
densificados.
La hidratacin y la dispersin de la arcilla seca son muy
afectadas si el agua de preparacin contiene:
Alta salinidad
Duraza (Calcio y Magnesio).
Ph
EFECTO DE LA SALINIDAD
Efecto de la viscosidad cuando se aade bentonita al agua que
contiene distintas concentraciones de sal o calcio
EFECTO DE LA SALINIDAD
Hidratacin de la bentonita en agua dulce
EFECTO DE LA DUREZA
Efecto del calcio sobre la bentonita prehidratada
Efecto de la sal sobre la bentonita prehidratada
EFECTO DEL PH
Efecto del pH sobre la bentonita de Wyoming
PRINCIPIOS DEL TRATAMIENTO QUMICO
La viscosidad resulta de los esfuerzos de friccin y de los
esfuerzos elctricos que existen dentro de un sistema.
El agua es eficaz para reducir la viscosidad si el contenido de
slidos es alto, pero no es el tratameinto ms econmico si la
viscosidad anormal es causada por floculacin qumica.
Se utilizan aditivos no inicos orgnicos o inorgnicos para
reducir la viscosidad, porque estos se adsorben en los bordes de
las viscosidad, porque estos se adsorben en los bordes delas
partculas de arcillas para satisfacer las cargas catinicas de
enlaces rotos, modificando el equilibrio de las fuerzas que actan
sobre la partcula. (Polmeros de bajos peso molecular, fosfatos,
lignosulfonatos, etc.)
CONTROL DE LA HINCHAZN Y ACUMULACIN DE ESFUERZO
La hinchazn y la acumulacin de esfuerzo depende de los
siguientes factores:
Mineralogia de la lutita
Estructura de las lutitas
Composicin de las poros del fluido
Composicin del filtrado
Contenido de humedad de la lutita
Presin diferencial
Rgimen de esfuerzo
CONTROL DE LA HINCHAZN Y ACUMULACIN DE ESFUERZO
Ciertos cationes inorgnicos limitan la hinchazn al entrar en
reacciones de intercambio de cationes con arcillas que se estn
hinchando, a fin de formar complejos ms estables:
Potasio (cloruro, acetato,, formato)
Calcio (yeso, cal)
Aluminio (ej, Hibtrol)
Cesio (parecido al potasio en cuanto al desempeo pero con un
costo ms elevado)
Aminio (parecido al potasio en cuanto al desempeo, pero puede
llagar a producir amonio libre).
CONTROL DE LA HINCHAZN Y ACUMULACIN DE ESFUERZO
El reblandecimiento y la dispersin depende del:
La cementacin de la lutita.
El comportamiento de la hinchazn (a veces relacionada, pero no
siembre)
Contenido de humedad (Lmites de Atterburg)
La hidrulica del lodo
El reblandecimiento y la dispersin pueden ser disminuidos
por:
Suficiente salinidad del filtrado para mantener floculados a los
minerales de la arcilla (la composicin de la sal no es crtica)
Sales especficas (ej. Potasio) si estas lutitas tambin se
hinchan.
Polmeros pequeos (ej. Glicoles, catinicos)
Hidrulica optimizada del lodo.
CONCLUSIONES
Un entendimiento riguroso de las arcillas puede ser la
herramienta ms valiosa del ingeniero de petrleo que trabaje con
lodos.
La arcilla puede ser aadida intencionalmente o puede entrar en
el lodo como contaminante importante mediante la dispersin de los
slidos de perforacin. En cualquier caso, la arcilla se convierte en
una parte activa del sistema.
Es necesario entender la qumica bsica de las arcillas para
controlar correctamente los lodos base agua.
La qumica de las arcillas tambin es importante en lo que se
refiere a las interacciones entre los lodos base agua y las lutitas
que afectan la estabilidad del pozo
