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Formación para la Investigación Escuela de Petróleos, Facultad Fisicoquímicas Universidad Industrial de Santander LODOS Y CEMENTOS

LABORATORIO N°6 LODOS Y CEMENTOS [Análisis Químicos]

VANESA LUNA SUÁREZ

2155183

BRIYITH VANESSA PEÑA PEREZ 2155607 CRISTIAN ALBERTO GÓMEZ GÓMEZ 2154285

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FISICO-QUÍMICAS ESCUELA DE INGENIERÍA DE PETRÓLEOS

Formación para la Investigación Escuela de Petróleos, Facultad Fisicoquímicas Universidad Industrial de Santander LODOS Y CEMENTOS

LODOS Y CEMENTOS BUCARAMANGA 2018

LABORATORIO N°6 LODOS Y CEMENTOS [Análisis Químicos] OBJETIVOS

1. Analizar las características químicas del agua (Pf, Mf, pH, ppm Cl-, dureza, ppm de Ca++) 2. Ver como se afectan las características químicas del agua al agregarle diferentes sustancias. 3. Determinar los efectos de la contaminación con sal en un lodo de perforación.

a. Analizar químicamente el agua suministrada; hallar Pf, Mf, Cloruros y Dureza. b. A 1 bbl equiv de agua adicionar 1.5 lb/bbl de CaSO4 y repetir el análisis del punto a.

Procedimiento y análisis de resultados La práctica número 6 correspondiente al análisis químico, se realizó de manera satisfactoria en el laboratorio de lodos y cementos de la Universidad Industrial de Santander. La principal razón de su realización es el complemento que tiene con las pruebas físicas y el factor de repetición que tienen en campo, el estudiante debe entender, manejar y conocer cada uno de los implementos y compuestos para cada caso ya que serán usados diariamente en campo.

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Saber que el lodo se encuentra contaminado por alguna sustancia no es necesario en el momento que controlarlo, es fundamental saber qué clase de compuesto está contaminando. En general, las pruebas químicas son procesos de adición de sustancias con el fin de obtener reacciones interpretables que previamente están marcadas por rangos de trabajo y con los cuales se obtiene un criterio en cuanto a la presencia de algún compuesto. Las pruebas realizadas fueron Alcalinidad, Cloruros y dureza.

Ilustración 1. Resultados de las 3 pruebas

Prueba de Alcalinidad.

Parte A En este caso se usó agua de tubo como resultado del filtrado ya que el proceso de preparación y filtrado del lodo como tal tomaría mucho tiempo la con respecto a la duración de la práctica, pero los resultados son análogos a una muestra de filtrado real. El primer paso de la prueba fue recoger 1ml del filtrado como muestra y diluirlo en 5 ml de agua, en la cabina de extracción se tenían listos los tituladores e indicadores.

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Luego de procedió a agregar el indicador (fenolftaleína) para saber si el pH era superior a 8.3 ya que el punto mínimo de la fenolftaleína es este. Particular mente se detalló que no hubo ningún cambio en la tonalidad al agregar el titulador (ácido sulfúrico) (pf=0), por lo tanto, se supone un PH menor a 8.3 y se procede a agregar el naranja de metilo el cual da un resultado afirmativo con tonalidad roja y al agregar el titulador, basta con dos gotas mostrando el rosado esperado (mf=0.1 ml). De esta manera se puede llenar la tabla de datos para este caso de la prueba de alcalinidad en la muestra A. Concluimos que, para este caso, el proceso fue satisfactorio ya que se

Ilustración 2. Resultado de la titulación

pudo comprobar que la prueba está calibrada, sabiendo que el pH del agua es 7.

Parte B Ya teniendo los datos de la muestra anterior, fue necesario crear un filtrado con componentes controlados con el fin de visualizar de manera detallada el comportamiento de la muestra. En este caso en particular se usó yeso (CaSO4) en una cantidad de 1.5 lb/bbl la muestra de 1 ml de solución fue disuelta en 25 ml de agua, el proceso a emplear es muy similar el empleado para el agua de tubo. En primer

lugar,

se

agregó

la

Ilustración 3. Agregado del contaminante

fenolftaleína

teniendo una ausencia de coloración al igual que en el agua (pf=0), seguidamente con el naranja de metilo se obtuvo coloración, pero esta vez fue necesaria solo una gota de ácido en la titulación para hacerlo llegar al punto esperado (mf=0.05) Ilustración 4. Resultado

Con esto concluimos que la alteración del pH no fue significativa, pero tendió a bajar con el contaminante, lo cual es esperado según las características del yeso en el lodo.

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Prueba de cloruros Con esta prueba pudimos determinar la cantidad de iones cloruro presentes en la muestra y así mismo determinar la cantidad de sal de la muestra, los dos datos son referenciados en partes por millón (ppm).

Parte A Inicialmente se parte del agua como filtrado limpio en una cantidad de 1 ml sobre 25 ml de muestra y con eso se procede a pasar a la cabina para efectuar la prueba; Lo primero es agregar el indicador inicial que es la fenolftaleína, pero como no observamos ningún cambio procedemos a agregar el indicador 2 (cromato de potasio) y se torna color amarillo, con lo

Ilustración 5. Resultado Cloratos (a)

cual se inició el conteo de las gotas de nitrato de plata en una concentración de 10.000ppm para titular. El resultado fue que con 1 gota la solución tomo el rojo ladrillo que se espera y se obtuvo que la muestra contenía 500ppm de ion clorato y eventualmente 824ppm de sal.

Parte B Al tomar la muestra con filtrado contaminado, el proceso a tener en cuenta es el mismo que con la muestra de agua limpia. Teniendo en cuanta todos los pasos anteriormente mencionados tenemos que los resultados son exactamente iguales, con lo que concluimos que el contaminante no contiene alteraciones en a cantidad del ion clorato y por lo tanto el lodo no se contaminó por sales. El resultado obtenido es esperado, ya que al saber que el contaminante es yeso podemos inferir que la pueba de cloruros no debe verse alterada.

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Tenindo en cuenta que para los dos caros solo fue necesaria una gota de nitrato de plata y apicanto las formulas consultadas en el cuestionarion (Punto 7) se estimó una cantidad de iones equivalentes a 500ppm y 824ppm de sal, evidenciando la igualdad con el planteamiento A. Ppm de ion Cl:

Ilustración 6. Resultado cloratos (B)

𝑚𝐿 𝑑𝑒 𝑛𝑖𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑙𝑎𝑡𝑎∗0.0282𝑁∗𝐴 𝑚𝐿 𝑑𝑒 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜

Ppm de NaCl: 𝑝𝑝𝑚 𝑁𝑎𝐶𝑙 = 1.65 ∗ 𝑝𝑝𝑚𝐶𝐿

Pueba de Dureza Esta prueba es inportante para detectar la consentracion de iones de calcio presentes en el lodo, lo que da un indicio de la cantaminación por carbonato de calcio que es presisamente el compuesto que estamos usando como ajente agresor. Parte A Siguendo la continuidad del tratamiento de las muestras, la fase inicial se toma con agua de tubo, se disuelve una gota de filtrado en 25ml de agua y se prosede a realizar el proceso correspondiente; Primero es necesario agregar una solución amortiguadora Buffer para que ni el titulador ni el indicador alteren las características de la muestra, luego se usa el versenato indicador, al hacerlo al muestra toma un color morado opaco, el paso siguiente al ver

esta tonalidad el agregar

el

hasta que la muestra se

versenato

titulador

torne gris, en este caso

fueron

gotas

resultado,

para

tener

ese

fueron tabulados.

Ilustración 7 Color morado opaco

Parte B

necesarias los

10 datos

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Teniendo la solucion con yeso, se agrega la Buffer para amortiguar el indicador y se prosede a agregar dicho conpuesta, lo que se vio fue un camobio un poco mas oscuro que en el agua limpia, pero al agregar el titulador furon necesarias alrededor de 16 gotas para llegar al gris que se esperaba. De esta manera podemos inferir que la contaminacion aumentó en gran medida la precesoa de iones calcio y por en de es puede estimar una contaminacion por yeso que es presisamente el contaminante usado para este caso. Las cantidades respectivas de iones y de carbonato como tal estan dadas en ppm y

se pueden calcular mediante las

ecuaciones estipuladas en el punto 14 del cuestionario.

Ilustración 8 Resultado de la titulación para la prueba de dureza (b)

PRACTICA # 6. ANÁLISIS QUÍMICO OBJETIVO #1 #

pH

A B

Alcalinidad

Cloruros

Dureza

pf

mf

Cl-

NaCl

CaCO3

Ca++

7

0

0.1

500

824

550

220

6

0

0.05

500

824

800

320

Tabla 1 Resultados obtenidos en los ítems

CUESTIONARIO

1. Enuncie las sustancias químicas que se usan como indicadores y tituladores en los siguientes procedimientos: Alcalinidad, Cloruros, Dureza. 

Prueba de alcalinidad Indicador: Fenolftaleína y naranja de metil. Titulador: Ácido sulfúrico.

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

Prueba de Cloruros Indicador: Cromato de potasio. Titulador: Nitrato de plata.



Prueba de dureza: Indicador: Versenato Indicador Titulador: Versenato titulador

2. Qué es y cuál es el paso a paso de la prueba de Alcalinidad Esta prueba hace referencia a la capacidad de una solución o una mezcla de reaccionar con un ácido. La alcalinidad a la fenolftaleína hace referencia a la cantidad de ácido requerido para reducir el pH a 8,3 el cual es el punto final de la fenolftaleína. El procedimiento se realiza de la siguiente manera: 

Tomar una muestra del filtrado o del lodo preparado.



Pasar 1ml de la muestra a la tasa de titulación



Colocar gotas de fenolftaleína a la muestra a titular, si hay un cambio de color continuar con el siguiente punto sino pf=0 y se procede a agregar otro indicador.



Agregar gotas de ácido sulfúrico en la muestra que ha cambiado de color hasta que esta recupere su color original.



Tomar esa cantidad de gotas requeridas como el pf en ml de solución necesarios para retornar al color inicial



Agregar gotas de la solución del indicador naranja de metil en la muestra.



Ahora nuevamente se toma cierta solución de ácido sulfúrico hasta que el color cambie de color.



La cantidad total de solución requerida para regresar al color inicial se registrara para así poder calcular posteriormente el Mf.

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3. Defina los siguientes términos y como calcularlos: 

PH: Es usado para expresar la concentración de iones hidrogeno en una solución acuosa, este se define por: PH: -log[H+] Donde H+ representa la concentración de iones hidrogeno en moles por litro.



Pm: La alcalinidad de fenolftaleína del lodo reportada como numero de mililitros de ácido sulfúrico 0,02N necesarios por mililitro de filtrado. Donde el objetivo principal es reducir el ph hasta 8,3.



Pf: La alcalinidad de fenolftaleína del filtrado reportada como el número de mililitros de ácido sulfúrico 0.02N requeridos por mililitros de filtrado. Igualmente hace referencia a la cantidad de ácido requerido para reducir el PH hasta 8.3.



Mm: Es la alcalinidad al naranja de metil en la muestra, reportado como el número de mililitros de ácido 0.02N requerida por mililitros de la muestra para lograr su punto final el cual tiene un PH de 4,3.



Mf: La alcalinidad del naranja de metil del filtrado reportado como numero de milímetros de ácido 0.02N requerido por milímetro de filtrado para lograr el punto final del naranja de metil (4.3).

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4. Explique gráficamente, mediante la escala de pH, la prueba de alcalinidad.

Intervalo de cambios de color de fenolftaleína

8.3 Intervalo de cambio de color naranja de metil 4.3

Tabla 2. Escala de pH , prueba de alcalinidad. 5. Qué significado tiene cuando al determinar la alcalinidad Pf=Mf, o, 2Pf>Mf. 

Pf=Mf Indica que la alcalinidad es debida a los iones de bicarbonato



2Pf>Mf. Significa que la alcalinidad es una mezcla de iones carbonato.

6. Qué es y cuál es el paso a paso de la prueba de Cloruros. La prueba de sal o cloruro es utilizada para detectar el contenido de cloruros en una muestra de fluidos, esta es muy importante en las áreas donde la sal puede contaminar el fluido de perforación. El procedimiento para la práctica es el siguiente: 

Tomar una muestra de filtrado.



Transferir 1ml del filtrado a la tasa de titulación

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

Agregar gotas de la solución indicadora en este caso la fenolftaleína. Si el color cambia a rojo se le agrega ácido sulfúrico hasta que esta tome su color original sino agregar gotas de la solución indicadora que ahora será el cromato de potasio.



Agregar la solución de nitrato de plata en la tasa de titulación hasta que el color cambie.



Registrar la cantidad de mililitros de solución de nitrato de plata se agregó.

7. Como se calcula: 

ppm Cl𝑚𝐿 𝑑𝑒 𝑛𝑖𝑡𝑟𝑎𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑙𝑎𝑡𝑎 ∗ 0.0282𝑁 ∗ 𝐴 𝑚𝐿 𝑑𝑒 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜

Donde A es la concentración, la cual puede ser 1000 o 10000. 

b- ppm NaCl 𝑝𝑝𝑚 𝑁𝑎𝐶𝑙 = 1.65 ∗ 𝑝𝑝𝑚𝐶𝐿 − 𝐶𝑙−=

𝑁 ∗ 3500 ∗ 𝑚𝐿 𝑢𝑡𝑙𝑖𝑧𝑎𝑑𝑜𝑠 𝑚𝐿 𝑑𝑒 𝑓𝑖𝑙𝑡𝑟𝑎𝑑𝑜.

8.Cuáles son las posibles fuentes de cloruros que podrían llegar al lodo. Solución.

Fuentes de cloruros 

Del agua de alimentación al lodo cuya salinidad puede alcanzar hasta 20 ppm.



Del flujo de agua salada de la formación.



De las sales agregadas al lodo por los estratos de sal perforados

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Los cloruros pueden derivarse de domos salinos , perforaciones salinas, flujos de agua salada,(la contaminación de un fluido de perforación con agua de formación puede resultar no solo en la contaminación con cloruros si no también con calcio y magnesio , cloruro de magnesio , cloruro de calcio y sulfato de magnesio ; son usualmente encontrados en varias concentraciones en aguas de formación), agua de mar y rocas saladas .

Sales Cuando perforamos una formación salina con lodo base agua, rápidamente se disuelve suficiente sal de la formación hasta llegar a la saturación total. La sal soluble entra a formar parte de la fase agua del lodo resultando en un espesamiento del fluido de perforación e incrementando la pérdida de filtrado. Esto produce un efecto indeseable, por la floculación de las arcillas y por la interacción entre la sal disuelta y las arcillas en el fluido de perforación.

Cloruro de sodio ( NaCl ): Es encontrado en domos salinos, formaciones salinas, flujos de agua salada.

Otras evaporitas que causan contaminación: Cloruro de Magnesio (MgCl2), cloruro de calcio (CaCl2) y sulfato de magnesio son usualmente encontrados en varias concentraciones en aguas de formación, aguas de mar y rocas saladas. La contaminación de un fluido de perforación con agua de formación puede resultar no solo en contaminación con cloruros, sino también calcio y magnesio.

Formaciones de Sulfato de Calcio: El sulfato de calcio se encuentra naturalmente como anhidrita (CaSO4). Este se establece en pequeñas secciones, en hileras, atrapado en el sedimento como una formación salina y algunas veces como la capa de roca de un domo salino. El sulfato de calcio es particularmente soluble en agua y el ión Ca+2 podría de esta manera causar floculación y agregación del

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agua del lodo, resultando inicialmente un aumento de Vp, Yp, esfuerzo de geles y pérdida de filtrado.

9. La saturación de agua con sal (NaCl) ocurre a 125 lpb. A cuantas ppm de Cl- y de NaCl corresponde la saturación.

Solución

Masa (NaCl)=125g Masa (H2O)= 1bbl=350 ml*(1g/1ml)=350g Masa Total= 125g +350g=475g %Wsal=125g/475g %Wsal=26,31% Ahora %Wagua=350g/475g %Wagua=73,68% Entonces Ppm NaCl-=(1*104)*(26,31) Ppm NaCl-=263100 Luego utilizaremos Ppm NaCl=1,65* Ppm ClDonde 1,65 es el factor que sale de: Peso atómico del Cl-=35,45 Peso atómico de Na=23 Peso total = 35,45 + 23 =58,85 Ahora dividimos Peso total/peso Cl-=58,85/23=1,65 Aplicando la fórmula: Ppm NaCl=1,65* Ppm ClY despejando Ppm Cl-

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Ppm Cl-=263100/1,65=159454 Ppm Cl-=159454

10.Cuáles son los rangos (en ppm de sal) aceptables para los siguientes tipos de lodo: a. Agua de mar b. Saturado con sal c. Agua dulce d. Sal-polímero

Solución TIPO DE LODO Rangos

Agua de mar

Saturado con sal

Agua Dulce

Sal- Polimero

ppm de Sal

35.000

> 315.000

0-230 ,15

27,6-55299,54

Tabla 3. Rangos de ppm de sal en diferentes tipos de lodos. 11.Qué es y cuál es el paso a paso de la prueba de Dureza.

Solución La prueba de dureza es un análisis químico para medir iones de dureza en filtrados de lodos a base agua. Los resultados se presentan como Ion Calcio (Ca+2) en mg/l

Paso a paso prueba de dureza. a) Recoger una muestra de filtrado usando el método de filtrado API

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Si

Entonces

Aparece un color rojo o violeta

Ir al paso e

Aparece un color azul

Ir al paso f

b) Agregar aproximadamente de 20 a 50 ml de agua destilada a la tasa de titulación. c) Agregar de 10 a 15 gotas de solución de versenato de amortiguadora de dureza en la tasa de titulación. d) Agregar de 10 a 15 gotas de solución de versenato indicadora de dureza en el plato de titulación.

Tabla 4. Procedimiento prueba de dureza. e) Dosificar lentamente con el versenato titulador hasta que el color cambie de rojo a violeta azul .

f) Transferir 1 ml o mas de filtrado al plato de titulación. Si

Entonces

Aparece un color rojo o violeta

Ir al paso g

Color azul se mantiene

El ml de THTSes cero , ir al paso h

Tabla 5. Procedimiento prueba de dureza continuación. g) Dosificar lentamente con el versenato titulador hasta que el color cambie de rojo a violeta o azul, gris o verde.

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h) Registrar el volumen de versenato titulador requerido para dosificar el filtrado hasta el punto final. 12. A que se le denomina agua blanda y agua dura

Solución Agua blanda: Es la que contiene una concentración relativamente baja de carbonato de calcio y otros iones; Tiene cantidades inferiores a 500 ppm de iones de Ca+2 y Mg+2. El agua que genera espuma fácilmente con el jabón se llama agua blanda. Describe el tipo de agua que contiene pocos o ningún mineral, como los iones de calcio (Ca) o magnesio (Mg).

Agua dura: Es aquella que contiene gran cantidad de iones Ca+2 y Mg+2 estos contaminantes a menudo están presentes en el agua disponible para uso de fluidos de perforación.

13.Cuáles son las posibles fuentes de Ca++ y Mg++ que podrían llegar al lodo.

Solución La contaminación por magnesio puede deberse a fuentes como agua salada y formaciones salinas. El calcio soluble llega a un lodo desde varias fuentes :



Estratos de yeso o anhidrita.



Cementos sin fraguar.

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

Iones de dureza en el agua de reposición o de una afluencia de agua de la formación.

14.Como se calcula: a) ppm Ca++ b) ppm CaCO3

Solución a) ppm Ca++

b) ppm CaCO3

ppm 𝐶𝑎++ = 𝑝𝑝𝑚𝐶𝑎𝑐𝑜3 ∗ 0.4

ppm 𝐶𝑎𝐶𝑜3 =

𝑚𝑙 𝑑𝑒 𝑣𝑒𝑟𝑠𝑒𝑛𝑎𝑡𝑜 𝑡𝑖𝑡𝑢𝑙𝑎𝑑𝑜𝑟∗1000 𝑚𝑙 𝑑𝑒 𝑚𝑢𝑒𝑠𝑡𝑟𝑎

15.Cuáles son los rangos (en ppm de Ca++) aceptables para los siguientes tipos de lodo: a) Bentonita y agua b) Lignosulfonato c) Yeso d) Sal e) Cal

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Solución TIPO DE LODO Rangos

Bentonita y agua

Lignosulfonato

Yeso

40-240

< 200

600-1200

++

ppm de Ca

Tabla 6a. Rangos de iones de Ca++en diferentes tipos de lodos

TIPO DE LODO Rangos ++

ppm de Ca

Sal

Cal

< 1000

400-200

Tabla 6b. Rangos de iones de Ca++en diferentes tipos de lodos

Referencias 

Guía del laboratorio propiedades de flujo de lodos.



ASME shale shaker committee. Drilling fluids processing handbook. Elsevier 2005. Pag 69-70.



Bourgoyne, Adam. Applied drilling engineering. Society of petroleum engineers. 1991.



Annis, M. R., Smith, M. V., Drilling fluids technology, Exxon Company, U.S.A., 1996.



Hughes INTEQ. Drilling fluids-reference manual. 2006. p 19-27.

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

SCHLUMBERGER .drilling school. Tecnología de perforación. P 94-112.