Balanza de Lodos
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UNIVERDIDAD MAYOR DE SAN ANDRES
2013
FACULTAD DE INGENIERIA
EXPERIMENTO I BALANZA DE LODOS
NOMBRE: CHOQUE CONTRERAS EDSON ARIEL AUXILIAR: UNIV. JUAN CARLOS SIRPA FLUIDOS DE PERFORACIÓN
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LAB #1
BALANZA DE LODOS
|
Informe Práctica Nº1 Determinación De La Densidad 1. Objetivos Los objetivos del siguiente experimento son los siguientes: •
•
Preparar un lodo base agua de una determinada densidad utilizando bentonita. bentonita. Medir la densidad del lodo preparado y de lodos preparados anteriormente utilizando utilizando la balanza de lodos. lodos.
•
Densificar el lodo preparado utilizando bentonita.
•
Diluir el lodo preparado utilizando agua.
2. Ma Marc rcoo Te Teóóric icoo Perforación de suelos Dada la necesidad de conocer las características del subsuelo sin realizar excavaciones de grandes dimensiones, como son los pozos a cielo abierto, se han ideado mecanismos que permitan penetrar el suelo con menor esfuerzo y a mayores profundidades. Para realizar esta tarea actualmente se han desarrollado máquinas perforadoras que mediante un mecanismo de rotación y empuje logran penetrar el suelo o roca, auxiliados auxiliados de una sarta de perforación perforación que consta de una una broca y barras de extensión. Es importante mencionar que hoy en día existen sistemas de perforación que pueden evitar el uso de fluidos de perforación, aunque con ciertas restricciones. En los inicios de la perforación del subsuelo se hizo indispensable la utilización utilización de algún fluido que facilitara el avance de la barrenación y que contribuyera al retiro de los recortes generados durante la rotación de la broca. En un principio estos fluidos se limitaron a la adición de agua y alguna arcilla natural. De manera simultánea a la evolución de los sistemas de perforación, la industria de los fluidos de perforación ha desarrollado sistemas cada vez más sofisticados para incrementar la eficiencia de esta actividad. Asimismo, no podemos hablar de un equipo moderno de perforación sin dejar de mencionar el sistema de fluidos correspondiente. correspondiente. Para definir el significado de un fluido de perforación, debemos considerar que siempre que se agregue y circule agua en un barreno se estará formando un lodo, entonces, éste puede definirse
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BALANZA DE LODOS
LAB #1
| razones válidas, éstas pueden ser técnicas o económicas; pero resulta muy obvia la respuesta para cualquier persona que se encuentre al frente de una máquina perforadora: "Hacer más fácil el trabajo de barrenación". Esta afirmación sería satisfactoria hasta hace poco tiempo, pero en la actualidad se deben considerar seriamente las alteraciones que se provoca al medio ambiente, entonces, se hace necesario agregar a la respuesta anterior que dicho fluido debe minimizar el impacto negativo al ambiente natural. En nuestros días existen en el mercado productos de compañías que se han dedicado al desarrollo tecnológico de los fluidos, principalmente bentoníticos. La mayoría de estas empresas estadounidenses se abastecen de su materia prima en los estados de Wyoming, Montana y Dakota del Sur. La variedad de arcilla más común para preparar un lodo de perforación es la bentonita (rica en montmorillonita sódica). sódica). Ésta se caracteriza por su habilidad para absorber grandes cantidades de agua y expandirse de 10 o 12 veces su volumen. Cuando ésta se coloca en agua, las arcillas presentan un comportamiento comportamiento coloidal, ya que permanecen permanecen en suspensión por por un periodo de tiempo indefinido, lo cual da como resultado un fluido de baja densidad y alta viscosidad (Akcer, 1974).
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. aproximadamente. Para conseguir densidades 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 tapar con ellos horizontes horizontes acuíferos. Además, el aumento de 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 mediante adición de aditivos aditivos pesados. La densidad tiene una influencia directa en la capacidad de extracción del detritus, pues al regirse,
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LAB #1
BALANZA DE LODOS
|
v=
1 18
d
2
γ S
− γ f
µ
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/cm 3); μ = viscosidad del fluido (en poises), g = gravedad (cm/sg 2). 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 disminuyendo la densidad. densidad. Por contra, la densidad puede 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".
Figura Nº 1 Balanza de Lodo Baroid
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LAB #1
BALANZA DE LODOS
| Esferas de vidrio 3M para fluidos de perforación de baja densidad Las esferas de vidrio 3M hacen que los fluidos de perforación de baja densidad mantengan una presión constante en el el fondo del pozo debido debido a que el fluido no se puede puede comprimir. Además, las esferas de vidrio hacen posible: 1.- Cálculos hidráulicos simples. 2.- Facilitar la transmisión de datos mientras se perfora. 3.- Ninguna necesidad de compresores costosos. 4.- Menos probabilidad de corrosión en la tubería de perforación. 5.- Reduce el potencial de explosiones. Seleccione la densidad de las esferas de vidrio adecuada para su necesidad:
Producto
Densidad (g/ml)
HGS4000 HGS6000 HGS10000 HGS18000
0.38 0.46 0.60 0.60
Resistencia a la compresión* (psi) 4000 6000 10000 18000
* Supervivencia de la blanco el 90%, mínimo del 80%
3. Ma Mate teri rial ales es Y Rea React ctiv ivos os Los materiales y reactivos utilizados fueron los siguientes: Agua Bentonita (SG = 2.3) Baritina (SG =4.2) Lodo ya preparado (d = 8. PPG) Licuadora Batidora Balanza de lodos
4. Pr Proc oced edim imie ient ntoo Ex Expe peri rime ment ntal al Preparación del lodo: Prepare un lodo con la densidad indicada por el encargado del laboratorio, teniendo el cuidado de
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BALANZA DE LODOS
LAB #1
| • • • •
Se debe llenar la jarra de la licuadora con el volumen de agua calculado previamente, Inicie la licuadora a la menor velocidad posible, Vierta la Bentonita en la jarra, una pequeña cantidad a la vez, Después de echar toda la Bentonita, licue la mezcla hasta que esta esté homogénea.
Densifique, diluya o mezcle dos lodos según indicaciones del encargado del laboratorio.
Medición de la densidad: Antes de la medición de la densidad del lodo, la balanza debe ser calibrada para evitar errores de lectura.
Figura Nº 2 Partes de la Balanza de Lodo Calibración: la calibración del instrumento se logra con la medición de la densidad de agua a temperatura ambiente; se debe llenar la copa con agua y equilibrar el instrumento para leer el valor de la densidad, tal valor debe corresponder a 8.33 PPG ó 1.00 g/cm3, de no ser así se debe proceder a quitar el tornillo del contrapeso para calibrar la balanza aumentando o quitando bolitas de plomo (lastre). Procedimiento para la medición de la densidad: 1) Quitar Quitar la tapa del vaso y llenar llenar completamen completamente te el vaso con el lodo recient recientement ementee agitado. agitado. 2) Volv Volver er a poner la tapa tapa y girar hasta hasta que que esté firmement firmementee asentada, asentada, asegurán asegurándose dose que que parte del lodo sea expulsado a través del agujero de la tapa (para evitar lecturas erróneas por el posible entrampamiento entrampamiento de gas en la muestra, de ligeros ligeros golpes al vaso para para liberar el gas entrampado). 3) Limp Limpiar iar el lodo lodo que que está está fuera fuera del vaso vaso y secar secar el vaso vaso.. 4) Colo Colocar car el brazo brazo de la balanza balanza sobre sobre la base, con el cuchi cuchillo llo descansa descansando ndo sobre sobre el punto punto de apoyo. 5) Desp Desplazar lazar el jinete jinete hasta hasta que el nivel nivel de burbuja burbuja de aire aire indique indique que el brazo brazo graduad graduadoo está nivelado.
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LAB #1
BALANZA DE LODOS
| Los datos obtenidos en el laboratorio son los siguientes:
Grupo 1 Preparación del lodo Lodo 1
Volumen de Agua [cm3] 400
Masa de Bentonita [g] 123
Densidad deseada [PPG] 9.6
Densificación/Dilución Densidad [PPG]
Proceso Densificación Dilución
Inicial 8,6 9.6
Masa de Densificante [g]
Final 9,2 9.0
Barita 39.1[g] -
Determinación de la Densidad Densidad Del Lodo Balanza Nº (Lodo) 1 2 3 4 Grupo 2 Preparación del lodo
Densidad [PPG] 9.6 9.0 8,6 9.2
Densidad [g/cm3] 1,152 1,080 1,032 1.104
Volumen de Diluyente [ml] Agua 405.8
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LAB #1
BALANZA DE LODOS
| Densificación Dilución
8,65 9.0
9,0 8.5
24.24 -
373.13
Determinación de la Densidad Densidad Del Lodo Balanza Nº (Lodo) 1 2 3
Densidad [PPG] 8.65 9.0 8,5
Densidad [g/cm3] 1,038 1,080 1,020
6. Tr Trat atam amie ient ntoo De Dat Datos os Los cálculos realizados son los siguientes:
Grupo 1 Preparación del lodo Se quería preparar un lodo de densidad 9.6 [PPG] a partir de agua y bentonita SG = 2.3, con un volumen determinado de agua, a partir de ese volumen fue que se calculó la cantidad de bentonita necesaria, haciendo el siguiente balance de materia. mw
+
m B
=
mm
Donde: mw: mB: mm:
Masa de agua [g] Masa de de bentonita [g [g] Masa de lodo [g]
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LAB #1
BALANZA DE LODOS
| V W + V B =V m
Entonces: ρ wV w
V B
+ ρ B
=
ρ m ( V W
+
V B )
Despejando el volumen de la bentonita: V B
=
V W
ρ W
− ρ m
ρ m
− ρ B
Reemplazando datos: V B = 400[ ml ] ×
− 9.6 9.6 − 2.3 ×8.33 8.33
V B = 53.14[ ml ]
Transformando a masa: m B
[ g ]
= 122.22
Debido a la inexactitud de la balanza con la que se cuenta en el laboratorio se pesó directamente 123 [g].
Densificación Para la densificación se partió de un lodo de densidad 8.6 [PPG] y se lo densifico hasta llegar a una densidad de 9.2 [PPG], para esto se utilizó barita (SG = 4.2). Para los cálculos realizados se tomo un volumen de 400 [ml] del lodo de densidad
8.6 [PPG],
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LAB #1
BALANZA DE LODOS
| ρ =
m V
Entonces: m = ρ ×V
Reemplazando en la ecuación: ρ m1V m1 + ρ BaV Ba = ρ m 2V m 2
Asumiendo volúmenes aditivos: V m1
+ V Ba = V m 2
Entonces: ρ m1V m1
+ ρ Ba
V Ba
=
ρ m 2 (V m1
+
V Ba )
Despejando el volumen de la barita: V Ba
=
V m1
ρ m1
− ρ m 2
ρ m 2
− ρ Ba
Reemplazando datos: V Ba = 400[ ml ] ×
− 9.2 9.2 − 4.2 ×8.33 8.6
V Ba = 9.31[ ml ]
Transformando a masa:
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LAB #1
BALANZA DE LODOS
| mm1: mw: mm2:
Masa del lodo 1 [g] Masa del agua [g] Masa del lodo 2 [g]
Es sabido que: ρ =
m V
Entonces: m = ρ ×V
Reemplazando en la ecuación: ρ m1V m1 + ρ W V W = ρ m 2V m 2
Asumiendo volúmenes aditivos: V m1 + V W =V m 2
Entonces: ρ m1V m1
V W
+ ρ W
=
ρ m 2 (V m1
+
V W )
Despejando el volumen de agua: V W
=
V m1
ρ m1
− ρ m 2
ρ m 2
− ρ W
Reemplazando datos: Para el volumen del lodo preparado, se suma los 400 [ml] de agua utilizados para su preparación y
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LAB #1
BALANZA DE LODOS
| Entonces a los 453.14 [ml] de lodo existentes se le agregó 405.8 [ml] de agua para llegar a la densidad deseada.
Grupo 2 El grupo 2 hizo un tratamiento diferente al grupo 1, la diferencia es que el grupo 2 en lugar de asumir un volumen de agua a utilizar asumió un volumen de lodo a preparar, para la preparación del lodo se asumió un volumen de 500 [ml] a preparar de lodo, utilizando bentonita y agua, a partir de ese volumen se calcula el volumen de agua y la masa de bentonita necesaria. Para el cálculo se partió del siguiente balance de materia: mw
+
m B
=
mm
Donde: mw: mB: mm:
Masa de agua [g] Masa de de bentonita [g [g] Masa de lodo [g]
Es sabido que: ρ =
m V
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LAB #1
BALANZA DE LODOS
| V B = 500[ ml ]
− 8.33 2.3 × 8.33 − 8.33 8.65
V B =13.84[ ml ] V W = 500[ ml ] −13.84[ ml ] V W = 486.16[ ml ]
Transformando a masa el volumen de bentonita: m B
= 31.83
Densificación Para la densificación se asumió asumió un volumen de 500 [ml] de lodo a preparar de de densidad densidad 9 [PPG], a partir del lodo preparado anteriormente de 8.65 [PPG], [ PPG], a partir del volumen de 500 [ml] se calcula el volumen necesario del lodo original y la masa de barita. m m1
+
m Ba
Donde:
=
mm 2
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LAB #1
BALANZA DE LODOS
| ρ m1 (V m 2
−
V Ba )
V Ba
+ ρ Ba
=
ρ m 2V m 2
Despejando el volumen de la barita: V Ba
=
V m 2
ρ m 2
− ρ m1
ρ Ba
− ρ m1
Reemplazando datos: V Ba = 500[ ml ]
− 8.65 4.2 × 8.33 − 8.65 9.0
V Ba = 6.64[ ml ]
Convirtiendo a masa m Ba
[ ]
= 27.91 g
V m1 =V m 2 −V Ba V m1 = 500[ ml ] − 6.64[ ml ] V
= 493 36[ ml ]
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LAB #1
BALANZA DE LODOS
| m = ρ ×V
Reemplazando en la ecuación: ρ m1V m1
+ ρ W V W = ρ m V m 2
2
Asumiendo volúmenes aditivos: V m1 + V W =V m 2
Entonces: ρ m1
(V m
2
−
V W )
V W
+ ρ W
=
ρ m 2V m 2
Despejando el volumen de agua: V W
=
V m 2
ρ m 2
− ρ m1
ρ W
− ρ m1
Reemplazando valores: V W = 500[ ml ]
− 9.0 8.33 − 9.0 8.5
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LAB #1
BALANZA DE LODOS
| G = 0.0519 × ρ G = 0.0519 × 9.6[ PPG ] G = 0.4982 PSI
ft
Se hizo el mismo cálculo para los demás lodos con los siguientes resultados:
Lodo 1 2 3 4
Densidad [PPG] 9.6 9.0 8.6 9.2
Gradiente de Presión [PSI/ft] 0.4982 0.4671 0.4463 0.4775
Grupo 2 En el laboratorio el grupo2 midió la densidad de 3 lodos distintos, el lodo que fue preparado en el laboratorio de densidad 8.65 [PPG], que luego fue densificado a una densidad de 9 [PPG] y que luego fue diluido a una densidad de 8.5 [PPG]. A continuación se describe el cálculo para el primer lodo
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LAB #1
BALANZA DE LODOS
| Grupo 1 SG = SG =
d d H 2O
[ ] 8.33[ PPG ] 9.6 PPG
SG =1.1525
Ahora la gravedad API ° API =
141.5
SG
−131.5
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BALANZA DE LODOS
LAB #1
| 7. Cu Cues esti tion onaari rioo 1. Defi Defina na lo que es un fluido fluido de de control control o lodo de perforac perforación. ión. R.- Un fluido de perforación o de control puede ser definido de la siguiente manera: “Un fluido de perforación es un fluido compuesto por una mezcla de aditivos químicos que le proporcionan propiedades propiedades físico-químicas físico-químicas idóneas a las condiciones condiciones operativas, así como como características determinadas para su eficaz funcionamiento” 2. ¿Qué importa importancia ncia tiene tiene el fluid fluidoo de control control en en la perforac perforación ión de pozos pozos?? R.- El fluido de perforación tiene una gran importancia en la perforación del pozo, puesto que el fluido de perforación es el primer método de control de un pozo, porque contrarresta las presiones de formación formación si este no está diseñado a cabalidad podría ocurrir ocurrir un reventón debido a
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LAB #1
BALANZA DE LODOS
| R.- Todas tienen gran importancia pero a mi parecer las más importantes son el control de las presiones del subsuelo, subsuelo, si esto no se cumple puede puede ocurrir un reventón, reventón, lo cual generaría una gran pérdida económica. Levantar los recortes y mantenerlos en suspensión, porque si no podría atascarse la herramienta lo que conllevaría una costosa operación de pesca y por último el de enfriar y lubricar el trepano porqué así se alarga la vida útil de este. 7. ¿Qué tipos tipos de fluidos fluidos de de perforació perforación n existen, existen, de a conocer conocer su clasi clasificac ficación? ión? R.- Existen tres grandes grupos: base agua, base aceite y fluidos neumáticos. Dentro de estos existen otros subgrupos de fluidos que son: Fluidos base agua
No dispersos
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BALANZA DE LODOS
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Densificar o diluir un lodo de perforación es una operación relativamente fácil de hacer en laboratorio cuando se hacen los cálculos correctos y cuando se tienen los cuidados respectivos. El tiempo que uno tarde en tomar la medida de la densidad de un lodo es un factor muy importante puesto que gracias a las propiedades tixotrópicas del lodo este se gelatiniza al poco tiempo de cesada la la agitación es por eso que que esta operación debe ser realizada realizada con celeridad pero no por eso con descuido.
9. Bi Bib bli lioogr graafí fíaa
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