Lodos de perforación
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El lodo es una suspensión de arcilla en agua, con los
aditivos necesarios para cumplir las siguientes funciones:
- Extraer el detritus o ripio de la perforación.
- Refrigerar la herramienta de corte.
- Sostener las paredes de la perforación.
- Estabilizar la columna o sarta de perforación.
- Lubricar el rozamiento de ésta con el terreno.
Se
distinguen diversos tipos de
lodos en función de su
composición. Por una parte
están los denominados
"naturales",
constituidos por agua clara
(dulce o salada) a la que se
incorpora parte de la fracción
limoso.-arcillosa de las
formaciones rocosas conforme se
atraviesan durante la
perforación. Se utilizan
especialmente en el sistema de circulación
inversa (en la circulación
directa se requieren lodos de
mayor densidad y
viscosidad).
|
Por
otra
parte
están
los
lodos
"elaborados"
de
los
cuales
existen
diferentes
tipos
siendo
los
más
frecuentes
los
preparados
a
base
de
arcillas
especialmente
bentoníticas,
en
cuya
composición
predominan
los
filosilicatos
del
grupo
de
la
montmorillonita. |
|
También
se utilizan con frecuencia lodos
elaborados con polímeros
orgánicos y más recientemente
con polímeros
sintéticos.
Composición de los lodos tipo que el
El
Servicio
Geológico de Obras Públicas utiliza en la
perforación de sus pozos, cuando no existen
formaciones geológicas o aguas que los contaminen
de forma notable, lodos que tienen el siguiente
tipo de composición.
- Lodo para formaciones no arcillosas (por
m3 de agua)
50 a 60 kg de bentonita de viscosidad media
- Lodo para formaciones arcillosas (por
m3 de agua)
60 a 100 kg de bentonita de viscosidad media
2 a 3 kg de quebracho
1,5 a 2 kg de CMC
1,5 a 2 kg de sosa cáustica
En
caso de existir formaciones
"contaminantes", se hacen las
correcciones oportunas mediante aditivos.
El ajuste y corrección de la dosificación se
hace midiendo el pH hasta conseguir situarlo entre
7-9,5, al mismo tiempo que se acotan la densidad y
la viscosidad entre 1,04-1,06 gr/cm3 y 35-45 seg
respectivamente.
En los lodos de perforación
existen una serie de propiedades
reológicas y parámetros que
los definen y que deben
controlarse durante la
perforación y que son los
siguientes: densidad,
viscosidad, tixotropía, costra
y
agua
de
filtrado,
pH
y contenido
de
arena.
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Principales propiedades reológicas y parámetros que definen
y deben controlarse en los lodos de perforación
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DENSIDAD |
|
Define
la capacidad del lodo de ejercer
una contrapresión en las
paredes de la perforación,
controlando de este modo las
presiones litostática e
hidrostática existentes en las
formaciones perforadas.
Se
determina pesando en una balanza
un volumen conocido de lodo. La
escala de la balanza (Baroid) da
directamente el valor de la
densidad del lodo. La densidad
de los lodos bentoníticos puede
variar desde poco más de la
unidad hasta 1,2
aproximadamente. Para conseguir
densidades mayores y que el lodo
siga siendo bombeable, es
preciso añadir aditivos como el
sulfato bárico (baritina)
que tiene una densidad
comprendida entre 4,20 y 4,35,
lográndose lodos con densidades
de hasta 2,4. Otros aditivos
para aumentar la densidad,
aunque menos usados, son la
galena (7,5), con cuya adición se
pueden alcanzar densidades
análogas a la de la baritina,
el carbonato cálcico (2,7) o la
pirita (5). Para rebajar la
densidad será preciso diluir el
lodo mediante la adición de
agua.
En
los lodos preparados para
perforar pozos para agua, las
densidades oscilan entre 1,04 y
1,14 sin que sean más eficaces
cuando se sobrepasa esta cifra e
incluso pueden aparecer
problemas de bombeo y peligro de
tapar con ellos horizontes
acuíferos. Además, el aumento
de la densidad del lodo no tiene
un efecto grande en el
mantenimiento de las paredes del
pozo, más bien, es mayor la
influencia de sus propiedades
tixotrópicas y la adecuación
de los restantes parámetros a
la litología y calidad de las
aguas encontradas. Si
hubiera que controlar, por
ejemplo surgencias, la densidad
puede incrementarse mediante
adición de aditivos pesados.
La
densidad tiene una influencia
directa en la capacidad de
extracción del detritus, pues
al regirse, de forma aproximada
por la ley de Stoke es
proporcional a la densidad del
flujo considerado.
|
Ley de Stokes
|
 |
| V = velocidad de caída de las partículas
(consideradas esféricas) en cm/sg. d = diámetro de las partículas (en
cm) γf = peso específico del material de
las partículas (gr/cm3); μ = viscosidad del fluido
(en poises), g = gravedad (cm/sg2). |
Durante
la perforación se pueden
producir de forma natural
variaciones en la densidad del
lodo que deben controlarse y
corregirse adecuadamente. Así,
por ejemplo, un aporte de agua
clara debido a la perforación
de un nivel acuífero productivo
(con una presión hidrostática
superior al peso de la columna
de lodo), o simplemente a una
infiltración puntual debida a
precipitaciones intensas, puede
diluir el lodo disminuyendo la
densidad. Por contra, la
densidad puede incrementarse por
la incorporación de fracciones
finas procedentes de la propia
formación geológica que se
esté perforando.
La
densidad la puede controlar el
personal del sondeo utilizando
la denominada "balanza
Baroid".
|
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VISCOSIDAD |
|
Es la resistencia
interna de un fluido a circular.
Define la capacidad del lodo de
lograr una buena limpieza del
útil de perforación, de
mantener en suspensión y
desalojar los detritus y de
facilitar su decantación en las
balsas o tamices vibrantes.
En
los bombeos, a doble viscosidad
será necesaria una doble potencia. Según la fórmula de Stokes, la velocidad
de caída del detritus en el fluido es inversamente proporcional a su
viscosidad, y por tanto, la capacidad de arrastre lo es directamente.
Es preciso
adoptar, por tanto, una solución de compromiso: viscosidad no muy grande para
que el lodo sea fácilmente bombeable, pero no tan pequeña que impida al lodo
extraer el detritus producido.
|
La viscosidad del lodo
se determina a pie de sondeo mediante el denominado
"embudo
Marsh", y según normas API, expresándose
por el tiempo (en segundos) que tarda en
salir por un orificio calibrado un
determinado volumen de lodo.
Para la perforación de
pozos, la viscosidad óptima suele oscilar
entre
40
y
45
segundos,
preferentemente alrededor de 38 (la
viscosidad Marsh es aproximadamente de 26
s).
La
medida
de
la
viscosidad
debe
realizarse
con
lodo
recién
agitado. Para
cálculos
más
precisos
se
determina
la
viscosidad
en
laboratorio
utilizando
el
"viscosímetro
Stomer"
y
expresando
los
datos
en
centipoises.
Las
medidas
tienen
que
estar
referenciadas
con
respecto
a
la
temperatura
del
lodo
(el
agua
a
29ºC
tiene
una
viscosidad
de
1
centipoise). |
 |
|
Embudo y
cazo Marsh |
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TRIXOTROPIA |
|
Es
la propiedad que tienen
las suspensiones
bentoníticas de pasar
de gel a sol mediante
agitación. Ciertos
geles pueden licuarse
cuando se agitan vibran
y solidificar de nuevo
cuando cesa la
agitación o la
vibración. Las
agitaciones o
vibraciones, o incluso
menores perturbaciones
mecánicas hacen que una
sustancia tixotrópica
se vuelva más fluida,
hasta el extremo de
cambiar de estado, de
sólida a líquida
pudiéndo recuperarse y
solidificar de nuevo
cuando cesa la
agitación o vibración.
Ciertas arcillas presentan propiedades
tixotrópicas (p. ej., las suspensiones bentoníticas).
Cuando las arcillas tixotrópicas se agitan, se
convierte en un verdadero líquido, es decir,
pasan de "gel" a "sol". Si a
continuación se las deja en reposo, recuperan la
cohesión y el comportamiento sólido. Para que
una arcilla tixotrópica muestre este
comportamiento deberá poseer un contenido en agua
próximo a su límite líquido. En cambio, en
torno a su límite plástico, no existe
posibilidad de comportamiento tixotrópico.
Gracias
a esta propiedad,
independiente de la
densidad, los
lodos colaboran en el
mantenimiento de las
paredes de la
perforación, incluso en
formaciones de baja
cohesión, al tiempo que
ayudan a mantener el
detritus en suspensión al
interrumpirse la circulación de los mismos
(extracción del varillaje, averías de la bomba o
del circuito, etc.) evitando en buena parte que se
depositen sobre el útil de perforación y lo
bloqueen.
Para que un lodo bentonítico pase de sol a gel
inmediatamente después de dejarlo de agitar, se
requieren concentraciones del orden del 20% en
peso. Hasta concentraciones del 3%, prácticamente
no gelifica, haciéndolo algún tiempo después de
haberse detenido la agitación para
concentraciones comprendidas entre el 5-10%. Estas
últimas son las que normalmente se utilizan para
lodos de perforación.
La medida de la tixotropía puede hacerse
valiéndose de un viscosímetro rotativo,
generalmente de
"tipo Stormer". Mediante
este instrumento se
determina el peso necesario, en gramos, para
que comiencen a girar las aspas, para un gel
recién agitado (gel 0), y el peso necesario para
que ocurra lo mismo con un lodo, 10 minutos
después de haber terminado su agitación (gel
10). La diferencia en peso (expresada en gramos)
entre el gel 0 y el gel 10, indica, a "grosso
modo", el grado de tixotropía del lodo.
La experiencia con lodos tixotrópicos de
buenas características para su empleo en
perforaciones, aconseja como valores adecuados
para la tixotropía, los siguientes:
- gel en el minuto 0 ................ 8 a 10
g
- gel en el minuto 10 .............. 40 a 50 g
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COSTRA
Y AGUA DE FILTRADO (CAKE) |
|
Parte del
lodo,
que
impulsado por la bomba
circula por el espacio anular comprendido entre la
pared del varillaje y la de la perforación, se
filtra a través de ésta, depositando en la misma
partículas coloidales que forman una costra (cake).
Esta
costra
proporciona
una
cierta
cohesión
a
las
formaciones
en
contacto
con
la
perforación
ayudando
a
sostener
sus
paredes
al
mismo
tiempo
que
las
impermeabiliza,
dificultando
el
paso
del
lodo
hacia
los
acuíferos.
Es
por
ello
que
un
buen
lodo
debe
permitir
la
formación
de
esta
costra.
Por
tanto,
la costra debe ser resistente e
impermeable.
Resistente para que no sea fácilmente erosionable por el roce de la sarta o columna de
perforación, e impermeable para que su espesor se
mantenga dentro de estrechos límites, compatibles
con el mantenimiento del diámetro de la
perforación. Esto no ocurriría si el agua libre
del lodo se filtrase continuamente a través de la
costra, aumentando el espesor de ésta con el
depósito continuo de partículas coloidales.
La
capacidad
de
construir
el
"cake"
de
un
lodo
depende
del
agua
libre
de
éste,
así
como
de
la
permeabilidad
de
las
paredes
del
sondeo.
Para
estimar
estas
capacidades
se
utiliza
un
filtro-prensa
normalizado,
haciéndose
pasar
el
lodo
durante
30
minutos,
con
la
prensa
tarada
a
una
presión
máxima
de
7
kg/cm2.
Un lodo de
perforación de buenas
características, no debe dejar pasar más de 20
cm3 de filtrado, formando un cake de espesor
comprendido
entre
5
y
8
mm.
|
|
pH |
|
Las
condiciones
de
equilibrio
químico
de
un
lodo
marcan
la
estabilidad
de
sus
características.
Una
variación
sustancial
del
pH
debida
por
ejemplo
a
la
perforación
de
formaciones
evaporíticas,
salinas,
calcáreas
u
horizontes
acuíferos
cargados
de
sales,
puede
provocar
la
floculación
del
lodo,
produciéndose
posteriormente
la
sedimentación
de
las
partículas
unidas.
La estabilidad de la suspensión de bentonita
en un lodo de perforación es esencial para que
cumpla su función como tal, por lo que será
necesario
realizar
un
continuo
control del pH.
Esto
se
puede
llevar
a
cabo
mediante
la
utilización
de
papeles indicadores (sensibilidad
alrededor de 0,5 unidades) sin necesidad de
recurrir a ph-metros, ya que son delicados para
usarlos de forma habitual en el campo.
En general, un lodo bentonítico es estable
cuando su pH está comprendido entre 7 y 9,5,
aproximadamente, precipitando fuera de este
intervalo. Para corregir y mantener el pH dentro de los
límites adecuados se pueden utilizar diferentes
productos.
|
|
CONTENIDO
DE ARENA |
|
Un lodo de perforación en buenas condiciones
debe
presentar
un
contenido
en
fracciones
arenosas
prácticamente
nulo
(inferior al
2-3%).
Si para su fabricación se
usan productos de calidad, debe estar exento de
arena. Sin embargo, a lo largo de la perforación
y
especialmente
en
acuíferos
detríticos,
es
inevitable
que
a
medida
que
avance
la
perforación,
el
lodo
se
va
a
ir
cargando
en
arena,
empeorando
sus
condiciones.Se
ha
comprobado
que
con
contenidos
de
arena
superiores
al
15%,
los
lodos
sufren
un
incremento
"ficticio"
de
la
densidad,
repercutiendo
en
la
viscosidad
y
la
tixotropía.
Además,
el
contenido
en
arena
resulta
especialmente
nocivo
para
las
bombas
de
inyección
al
desgastarlas
prematuramente.
Para combatir estos efectos se
disponen desarenadores. La forma más elemental
consiste en dejar decantar en una balsa el lodo
que retorna a la perforación, aspirándolo
nuevamente en otra a la que ha llegado de la
anterior por un rebosadero de superficie.
Procedimientos más rápidos y eficaces, y a la
larga menos costos, son las cribas vibratorias y
los desarenadores centrífugos (ciclones).
El
control
del
contenido
en
arena
se
realiza
mediante
tamices
normalizados,
más
concretamente,
el
tamiz
200 (200 hilos por pulgada,
equivalente a 0,074 mm, 74 micras), expresándose
en
porcentajes.
En
un
lodo
se
considera
arena
a
la
fracción
fina
que
pasa
por
este
tamiz.
Para determinar la
cantidad de arena que contiene, se toma una
muestra de lodo de 100 cm3, pasándola
por la malla del tamiz 200. El residuo retenido
sobre el tamiz después del lavado con agua, se
vierte en un tubo de cristal graduado en %, de 100
cm3 de volumen, expresándose el
contenido de arena por la lectura
correspondiente.
Existe
un
dispositivo
específico
denominado
"tamiz
Baroid
o
elutriómetro",
en
el
que
el
tamiz
va
intercalado
entre
un
recipiente
de
volumen
determinado
y
una
probeta
transparente
graduada
en
porcentajes.
|
|
ADITIVOS
DE LOS LODOS DE PERFORACIÓN |
|
En perforación, aunque la base es un lodo
bentonítico puro formado por una suspensión de
arcilla montmorillonítica en agua, sea adicionan
ciertos productos para conseguir unas
características y propiedades del lodo que se
aproximen a las consideradas experimentalmente
como
más
óptimas.
Entre los
aditivos figuran como esenciales los
siguientes productos:
|
Sulfato bárico o baritina
(SO4Ba) |
Raramente necesario en la perforación de
pozos para agua. Tiene fundamentalmente su
aplicación en perforaciones si se
encuentran horizontes con fluidos a presión
elevada (acuíferos surgentes).
Con la adición de sulfato bárico, con
densidad comprendida entre 4,20-4,35 se
consiguen densidades en el lodo superiores a
2,35-2,40, sin que el aumento de sólidos en
el lodo perjudique de forma notable su
viscosidad y tixotropía.
También puede usarse la galena para
aumentar la densidad de un lodo. Se utiliza
en forma de polvo (densidad aproximada a
6,5), pudiendo alcanzar el lodo densidades
de hasta 4. |
|
Carboximetil-celulosa (CMC) |
Es un coloide orgánico (almidón sódico),
que se utiliza mucho en la preparación de
lodos para pozos. Contribuye a mantener una
costra fina y reduce el agua de filtrado.
Los hay de alta y baja viscosidad, que
transmiten estas propiedades al lodo
tratado.
No es muy propenso a la
fermentación, la cual, caso de presentarse
puede corregirse con la adición de sosa
cáustica. |
|
Quebracho |
Es un tanino de buena calidad, que sirve
para fluidificar el lodo, mejorando las
condiciones de bombeo, sin que disminuya
notablemente su capacidad de suspensión de
sólidos. No aumenta el agua de filtrado.
Tiene muy buen comportamiento frente a
contaminaciones salinas. Por su coloración,
los lodos con quebracho, se suelen designar
con el nombre de "lodos
rojos". |
|
Lignosulfonatos |
Sales complejas de lignina. Actúan en forma
análoga a la del quebracho, pero de forma
más enérgica, aligerando la viscosidad del
lodo y reduciendo su agua de filtrado. Son
muy resistentes a la contaminación por
detritus y por ello están indicadas en la
perforación de horizontes con yeso, ya que
éste aumenta extraordinariamente la
viscosidad del lodo.
Es mucho más caro que el quebracho. Su
empleo presenta algunas dificultades,
principalmente por la gran producción de
burbujas que dificultan el bombeo. Estas
burbujas (parecidas a la espuma de un
detergente) se eliminan con la adición de
estearato de aluminio disuelto normalmente
en gas-oil. |
|
Sosa cáustica |
Se utiliza para evitar fermentaciones, por
ejemplo de CMC, y pra corregir el pH cuando
está bajo. Frecuentemente se asocia al
quebracho. Es preciso tomar precauciones
para la preparación y manipulación de
lodos con sosa, protegiéndose con guantes y
equipo adecuado. |
|
Bicarbonato sódico |
Indicado para subir el pH del lodo,
principalmente cuando se ha contaminado por
cemento. |
|
Polifosfatos
|
Son sales sódicas que actúan
enérgicamente como fluidificantes o
dispersantes. Más que en la preparación o
corrección de lodos, se utilizan
principalmente en la limpieza y desarrollo
de pozos, cuyos horizontes permeables hayan
podido ser invadidos por el lodo al hacer la
perforación, y en la destrucción de la
costra.
Los más conocidos son: pirofosfatos, neutro
o ácido (P2O7Na4
y P2O7Na2
respectivamente); el tetrapolifosfato (P4O13Na6)
y el hexametafosfato (PO3Na)6,
que es el más usado por su eficacia para
disminuir la viscosidad. En el caso de su
empleo para el desarrollo de pozos, se usa a
razón de 5 kg por m3 de
agua. Para fluidificar el lodo a la
terminación del pozo, antes de proceder a
la entubación, se emplean aproximadamente
1,5 kg/m3 de lodo. |
|
|
RESUMEN
PARÁMETROS A CONTROLAR
EN LOS LODOS (modificado
de Lauga, 1990) |
| Objeto
de
las
medidas
(valores
normales) |
Aparatos
a
emplear |
Interpretación
de
resultados |
Aditivos |
|
Densidad
media
(1,2) |
Balanza
Baroid |
Demasiado
Alta |
Riesgo
de
pérdida
de
lodo.
Cake
demasiado
grueso |
Dilución
en
agua
controlando
las
otras
características.
Batir
enérgicamente. |
|
Demasiado
Baja |
Cake
demasiado
delgado.
Riesgo
de
degradación
de
las
paredes,
desprendimietnos,
dificultad
de
control
de
artesianismo,
etc. |
Añadir
bentonita
(densidad
2,6)
o
baritina
(4,3).
Batir. |
|
Viscosidad
media
(40-50
s
Marsh) |
Viscosímetro
Marsh
(en
obra).
Viscosímetro
Stomer
(en
laboratorio) |
Demasiado
Alta
|
Dificultad
de
bombeo
y
riesgo
de
atascos
durante
paradas
de
circulación. |
Dilución
en
agua.
Empleo
de
pirofostatos
(4
kg/100
l
de
agua),
de
taninos
(quebracho),
de
lignitos,
ligno-sulfatos,
etc.
Atención
al
pH. |
|
Demasiado
Baja
|
Riesgo
de
pérdida
de
lodo,
atascos
por
separación
de
los
elementos
constitutivos
del
lodo |
Añadir
bentonita,
almidón
o
fécula. |
|
Filtrado
(5-10
cm3).
Cake
(5
mm
max.) |
Filtro-prensa
Baroid |
Demasiado
Grande |
Cake
demasiado
fino,
riesgo
de
desprendimientos
y
pérdidas
de
lodo |
Añadir
almidón,
fécula
o
CMC
(3
a
10
kg/m3
de
lodo).
Mezclar
y
agitar. |
|
Demasiado
Débil |
Cake
demasiado
grueso,
riesgo
de
colmatación
de
los
acuíferos. |
Dilución
con
agua.
Controlar
las
otras
características.
Agitar. |
|
Arena |
Tamiz
Baroid |
Riesgo
de
desgaste
por
erosión
de
las
bombas
de
lodo. |
emplear
cribas
vibratorias
o
desarenadores
centrífugos
(ciclones) |
|
pH
(7
a
9,5) |
Papel
colorimétrico.
pH-metros |
pH
>
11 |
Contaminación
por
el
cemento
o
por
el
agua
de
la
formación |
Empleo
de
polifostatos.
Ácidos
si
el
pH
>
11
y
neutros
si
el
pH
<
7 |
|
pH
<
7 |
Excesos
de
acidez.
Riesgo
de
floculación. |
|
|
