2 Quimica Basica y Arcillas 2

7/31/2019 2 Quimica Basica y Arcillas 2

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Captulo 2

FLUIDOS DE PERFORACIN

2.- QUMICA BSICA

INTRODUCCIN A LA QUMICA.

La Qumica es la ciencia que trata del estudio de las substancias, de las

transformaciones que experimentan y de los cambios de energa en estastransformaciones. Desde los mismos albores de la civilizacin, el hombre ha tratado decomprender los cambios producidos en el mundo que le rodea debido a sus efectossobre las condiciones en que vive. Estos cambios tales como la accin erosiva de laatmsfera sobre las rocas, la putrefaccin de la materia vegetal y animal, el fenmenode la combustin, la generacin del petrleo y otros procesos naturales sonfundamentalmente de naturaleza qumica. Pero, no obstante, el hombre no se hasentido satisfecho con las copiosas reservas nativas de materiales, ni con algunos delos procesos naturales que se desarrollan. Aplicando con cuidado los principios de laqumica no solo ha conseguido alterar el curso de muchos de estos procesos, sinotambin transformar gran nmero de dichas substancias en productos desconocidos

en el mundo natural.Aunque los conocimientos cientficos se han clasificado dentro de varias ciencias,como biologa, geologa y otras, no hay lnea clara de demarcacin entre ellas. Unanlisis cuidadoso de las otras ciencias revela que la qumica tiene afinidades con lamayora o incluso con todas ellas. As, la biologa contribuye grandemente a lacomprensin de las transformaciones qumicas que ocurren en las diminutas clulasintegrantes del organismo vivo, durante el proceso de digestin y reconocimiento; lageologa es un prodigioso lienzo natural que expone los cambios qumicos efectuadosen las rocas durante las diversas eras geolgicas; la fsica se ocupa de las distintasformas de energa, tal como calor, luz y electricidad, pero los efectos de la energasobre la materia son frecuentemente de ndole qumica; incluso la astronoma penetra

en la qumica en busca de informacin sobre la contextura qumica de algunos astros.La qumica puede llamarse exactamente la ciencia fundamental de la transformacinde la materia.

Para la extraccin de hidrocarburos, se requiere del uso de sistemas de fluidos deperforacin diseados a base de aditivos qumicos con caractersticas especficas queinteractan sobre las formaciones que se perforan, siendo por lo tanto una aplicacinms de la qumica dentro de la industria del petrleo.

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Los ingenieros de fluidos tratan con la qumica todos los das. La qumica es el estudiode la materia, incluyendo su composicin, sus propiedades y su transformacin oreaccin con otras substancias (reacciones qumicas). La materia es algo que tienemasa y ocupa espacio.

Materia y su composicin

Materia es todo cuanto ocupa espacio y tiene masa. Toda la materia se compone demolculas y todas las molculas constan de tomos.

La molcula es la parte ms pequea en que la materia puede dividirse sin destruirsus propiedades caractersticas. El tomo, que hasta hace poco se ha supuestocompacto e indivisible, es la parte ms pequea de una molcula; es decir, se haconsiderado como la unidad de la materia.

La masa es una medida de la cantidad de materia o la cantidad de material contenidoen algo. La masa es una de las cantidades fundamentales en las cuales todas lasmedidas fsicas estn basadas. La masa es lo que hace que la materia tenga peso enun campo de gravedad e inercia cuando est en movimiento. El peso de algo es lafuerza de gravedad que acta sobre una masa determinada y es directamenteproporcional a la masa multiplicada por la fuerza gravitatoria (aceleracin).

Las unidades comunes de masa son los gramos (g) y las libras-masa. El volumen esuna medida de la cantidad de espacio ocupado por la materia. Las unidades comunesde volumen del campo petrolfero son los galones (gal), barriles (bbl), pies cbicos (ft3),litros (l) y metros cbicos (m3).

La densidad se define como la relacin de masa dividida por el volumen. Lasunidades comunes de densidad del campo petrolfero son las libras por galn (lb/gal),libras por pie cbico (lb/ft3), kilogramos por centmetro cbico (kg/cm3) y gramos porcentmetro cbico (g/cm3). La gravedad especfica es una expresin especial de la

densidad que usa para lquidos y slidos. Se trata de la relacin de la densidad de unasubstancia dividida por la densidad del agua pura a una temperatura indicada,generalmente de 4 C. Asimismo, la densidad de los gases se suele expresar comogravedad de gas, o como la relacin de la densidad de un gas particular dividida porla densidad del aire puro bajo condiciones estndar.

CLASIFICACIN DE LA MATERIA

Todas las substancias estn incluidas en uno de tres estados fsicos::

Slidos Lquidos Gases

Los Slidos tienen generalmente una mayor densidad que los lquidos y gases. Sonsubstancias que no son fluidas, y por lo tanto, no fluyen cuando se aplica una fuerza.Los slidos no se adaptan fcilmente a la forma de su contenedor. Se componen demolculas mantenidas en posicin mas o menos fija.

Los Lquidos tienen generalmente una densidad ms baja que los slidos, pero mayorque los gases. Los lquidos se adaptan fcilmente a la forma de su contenedor. Tantolos lquidos como los gases son fluidos que fluyen cuando se aplica una fuerza. Los

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lquidos pueden transformarse en slidos, bajando la temperatura hasta el punto enque las fuerzas de atraccin entre las molculas las mantienen dentro de una forma yun volumen determinados.

Si partimos de un slido, un aumento en su temperatura hace vibrar las molculascada vez mas rpidamente, hasta que su actividad vence las fuerzas de atraccin

entre ellas y el slido se convierte en un lquido (fusinde un slido). Si el lquido secalienta, las molculas se mueven cada vez mas deprisa hasta que su velocidad es tangrande que abandonan el lquido y se transforman en rpidas molculas de gas(evaporacin o ebullicin). Las temperaturas a que estas diversas transformacionespueden producirse varan segn las diferentes clases de materia.

Los Gases no solamente se adaptan a la forma, sino que tambin se expanden parallenar su contenedor. los gases estn formados por molculas en rpido movimiento.

Todas las substancias tambin pueden ser separadas en dos categoras:

Homogneas (substancias puras) Heterogneas (mezclas de substancias)

Un ejemplo de un material homogneo sera la sal comn, en la cual cada grano tieneuna composicin qumica idntica. Un ejemplo de un material heterogneo (nouniforme) sera la grava del cauce de un ro: se trata de una mezcla de rocas de unavariedad de fuentes que tienen diferentes composiciones qumicas, apariencias ypropiedades. Los fluidos de perforacin y la mayora de los materiales encontrados enla naturaleza son mezclas.

Los materiales homogneos (substancias puras) se encuentran ocasionalmente en lanaturaleza, pero son generalmente fabricados mediante un tratamiento para separarmateriales distintos o eliminar las impurezas. Las substancias puras pueden seridentificadas porque son homogneas y tienen una composicin uniforme,

independientemente de la manera en que estn subdivididas o de los lugares donde seencuentren.

Las substancias puras pueden ser separadas en dos categoras distintas:

Elementos Compuestos

Los elementos no pueden ser separados (descompuestos) o subdivididos ensubstancias ms simples mediante el uso de mtodos qumicos corrientes. Loselementos constituyen los componentes bsicos de todas las substancias y tienenpropiedades exclusivas. Los compuestos pueden ser reducidos en dos o mssubstancias ms simples (elementos o grupos de elementos).

Una substancia pura es un compuesto si puede ser subdividida en por lo menos doselementos. Todos los compuestos estn formados por la combinacin de dos o mselementos.

Si una substancia pura no puede ser separada en dos o ms elementos, se trata de unelemento.

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Resulta prctico designar a un elemento con una abreviatura llamada smbolo, en vezde usar el nombre completo. La siguiente Tabla contiene el nombre qumico, elsmbolo, el peso atmico y la valencia comn (carga elctrica) de los elementos demayor inters para la industria de fluidos de perforacin.

Elementos comunes.

Elemento Smbolo Peso Atmico Valencia Comn

Aluminio Al 26.98 3+Arsnico As 74.92 5+Bario Ba 137.34 2+Boro B 10.81 3+Bromo Br 79.90 1-Cadmio Cd 112.40 2+Calcio Ca 40.08 2+Carbono C 12.01 4+Cesio Cs 132.91 1+

Cloro Cl 35.45 1-Cromo Cr 52.00 6+Cobre Cu 63.55 2+Flor F 19.00 1-Hidrgeno H 1.01 1+Yodo I 126.90 1-Hierro Fe 55.85 3+Plomo Pb 207.19 2+Litio Li 6.94 1+Magnesio Mg 24.31 2+Manganeso Mn 54.94 2+

Mercurio Hg 200.59 2+Nquel Ni 58.71 2+Nitrgeno N 14.00 5+Oxgeno O 16.00 2-Fsforo P 30.97 5+Potasio K 39.10 1+Silicio Si 28.09 4+Plata Ag 107.87 1+Sodio Na 22.99 1+

Azufre S 32.06 2-Estao Sn 118.69 2+Titanio Ti 47.90 4+Zirconio Zr 91.22 4+Zinc Zn 65.37 2+

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ESTRUCTURA ATMICA

Toda materia se compone de unidades discretas llamadas tomos. El tomo es launidad ms pequea en que un elemento puede ser dividido, manteniendo laspropiedades qumicas que le son exclusivas. Los tomos son los componentes bsicosde toda materia; stas son las unidades ms pequeas de un elemento que pueden

combinarse con los tomos de otro elemento. Los tomos de diferentes elementostienen distintas propiedades. Los tomos no son creados ni destruidos durante lasreacciones qumicas.

Los tomos contienen tres partculas subatmicas:

Protones Neutrones Electrones

El tomo tiene dos zonas distintas: un ncleo pequeo y denso que contiene losprotones y neutrones, rodeado por una nube difusa de electrones. El tamao de untomo depende casi totalmente de la cantidad de volumen ocupado por la nube deelectrones del tomo, mientras que prcticamente toda la masa est ubicada en elncleo.

El ncleo es aproximadamente esfrico, con un dimetro de 10-4 angstrom (A) o 10-14

m, y contiene solamente protones y neutrones. Un protn tiene una carga positivamientras que un neutrn no tiene ninguna carga.

La nube de electrones, o capa electrnica, tambin es aproximadamente esfrica, conun dimetro de 1 A o 10-10 m, y slo contiene electrones, los cuales gravitan alrededordel ncleo de la misma manera que un sistema solar en miniatura. Un electrn tieneuna carga negativa de fuerza igual a la carga positiva de un protn. En los tomos decarga neutra (sin valencia), el nmero de electrones es igual al nmero de protones, de

manera que la carga neta del tomo sea neutra. Algunos tomos pueden ganar operder electrones de manera que se forma un tomo cargado, llamado ion.

Estructura Atmica

Cuando se pierde un electrn, el tomo adquiere una carga positiva. Un ion de cargapositiva se llama catin.

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Similarmente, cuando el tomo gana un electrn, se forma un anin de carganegativa. Similarmente, cuando el tomo gana un electrn, se forma un anin decarga negativa. La masa de un protn o de un neutrn es aproximadamente 1.837veces ms grande que la masa de un electrn. Debido a esta enorme diferencia demasa, la masa de los protones y neutrones en el ncleo constituye la masa total

aproximada del tomo.Masa y carga de las partculas subatmicas

Partcula Carga Masa (g)Protn Positiva (1+) 1.6724 x 10-24

Neutrn Ninguna (neutra) 1.6757 x 10-24

Electrn Negativa (1-) 0.000911 x 10-24

El ncleo de un tomo es muy denso; aproximadamente 1.770 toneladas/pulg3

(98.000 kg/cm3). La nube de electrones tiene un dimetro 10.000 veces ms grandeque el dimetro del ncleo. El mayor volumen de la nube de electrones de bajadensidad compensa la alta densidad del ncleo a una densidad media de 2 a 20 g/cm 3.

El elemento ms ligero y ms simple es el hidrgeno, el cual slo tiene un protn encada ncleo. Los tomos de origen natural contienen entre 1 y 93 protones en suncleo. Los tomos ms pesados, con an ms protones, han sido creados enlaboratorios pero son inestables y no son de origen natural. Todos los tomos quetienen el mismo nmero de protones en sus ncleos tienen propiedades qumicasidnticas y son llamados elementos. Existen 92 elementos de origen natural que, envarias combinaciones, forman el mundo fsico.

El nmero de protones (p+) en el ncleo es usado para definir cada elemento y sellama nmero atmico (z). El hidrgeno, con un solo protn, tiene un nmero atmicode 1. La suma del nmero de protones y neutrones (n) en el ncleo de un tomo sellama el nmero de masa atmica (a), a = p+ + n.

Cada elemento puede tener varias estructuras atmicas llamadas istopos, cada unacon un nmero diferente de neutrones en su ncleo, proporcionndole a cada uno unpeso atmico diferente. Aunque estos istopos de un elemento tengan diferentespesos atmicos, tendrn propiedades qumicas idnticas y formarn compuestos quetienen las mismas propiedades. Los istopos se escriben con el nmero atmico (z)como subndice delante del smbolo qumico y el nmero de masa atmica (a) comosuprandice (a/zX). El hidrgeno tiene tres istopos. El istopo ms comn delhidrgeno no tiene ningn neutrn en su ncleo (1/1H), el segundo istopo ms comn

tiene un neutrn (2/1H) y el tercer istopo contiene dos neutrones (3/1H). Todos estosistopos contienen un solo protn en el ncleo.

La escala de masa atmica es una escala de masa relativa basada en la masa delistopo de carbono, 12/6C, el cual tiene una masa de exactamente 12,0 unidades demasa atmica (amu). Esta escala se usa para simplificar la expresin de valores demasa tan pequeos para cada istopo de cada elemento. La masa de un neutrn, o unprotn, es ms o menos igual a 1 unidad de masa atmica (amu).

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El peso atmico de un elemento es igual al promedio ponderado de la masa de todoslos istopos del elemento en la escala de peso atmico

Algunas combinaciones de neutrones y protones no son estables en el ncleo de untomo. Estos ncleos inestables se descomponen naturalmente, o se desintegran,formando tomos de elementos totalmente diferentes. Esta desintegracin es una

reaccin nuclear (fsica) que no supone ni una reaccin qumica con el oxgeno ni unaactividad biolgica normalmente asociada con la desintegracin qumica. Los istopossometidos a la desintegracin nuclear son calificados de radioactivos. Cuando untomo se desintegra, el tomo libera partculas subatmicas y energa (radioactividad).

La radioactividad se usa ampliamente para la evaluacin analtica en laboratorio de losproductos qumicos y minerales. Algunos registros de evaluacin del pozo usan unafuente radioactiva o la radiacin de fondo natural para identificar y evaluar lasformaciones y los fluidos de las formaciones.

Los tomos de un elemento forman un enlace con los tomos de otros elementos paraformar compuestos, ya sea transfiriendo electrones (enlace inico) o compartiendo

electrones (enlace covalente). El enlace es la combinacin de fuerzas atractivas entretomos que los hace actuar como un compuesto o una unidad. La manera en que elenlace ocurre trae importantes consecuencias para las propiedades fsicas de uncompuesto.

Dos o ms elementos pueden combinarse para formar un compuesto. Los elementosde un compuesto estn ligados por sus electrones comunes. Los compuestos tienendiferentes propiedades qumicas y fsicas respecto a los elementos que los componen.Por ejemplo, tanto el hidrgeno y el oxgeno son gases bajo condiciones estndar,pero cuando se combinan para formar agua, existen en forma de lquido. La Tabla 3enumera el nombre qumico, la frmula y el nombre comn de los compuestos mscomunes utilizados en la industria de fluidos de perforacin.

Compuestos comunes

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La unidad ms pequea en que se puede dividir un compuesto es la molcula, unacombinacin de tomos fuertemente ligados. Las molculas se componen de dos oms tomos enlazados qumicamente. Los tomos de una molcula siempre secombinan segn proporciones particulares y con orientaciones especficas. Lasmolculas no se pueden dividir en unidades ms pequeas y siguen manteniendo las

propiedades qumicas exclusivas del compuesto.Se puede describir la composicin de un compuesto mediante una simple frmulaqumica que usa los smbolos atmicos y los subndices que indican el nmero decada tomo contenido en la molcula ms simple. Por ejemplo, la ms pequeapartcula del dixido de carbono es una molcula con un tomo de carbono enlazadocon dos tomos de oxgeno y puede ser representada por la frmula qumica CO2.

Los grupos de tomos enlazados tambin pueden ser iones (iones poliatmicos). Porejemplo, el ion hidroxilo, OH-, es un anin con una carga 1- neta, o un electrnadicional. El ion amnico, NH4+, es un catin poliatmico con una carga 1+.

VALENCIALa valencia de un elemento o ion es el nmero de electrones que el elemento o ionpuede adquirir, perder o compartir para convertirse en un compuesto estable de carganeutra. El tomo de hidrgeno ha sido tomado como referencia y tiene un enlacepositivo, o una valencia de 1+. La valencia determina los elementos o

iones que se combinarn y la proporcin en que se combinarn. Por ejemplo, untomo de cloro (Cl) se combina con un tomo de hidrgeno (H, valencia de 1+) paraformar cido clorhdrico (HCl); por lo tanto, el cloro debe tener una valencia de 1-. Untomo de oxgeno (O) se combina con dos tomos de hidrgeno para formar agua(H2O); por lo tanto el oxgeno tiene una valencia de 2-. Un tomo de sodio (Na) se

combina con un tomo de cloro (Cl, valencia de 1-) para formar sal (NaCl); por lo tantoel sodio debe tener una valencia de 1+.

Un tomo de calcio (Ca) se combina con dos tomos de cloro para formar cloruro decalcio (CaCl2); por lo tanto el calcio debe tener una valencia de 2+. Siguiendo estemismo razonamiento, la valencia de K en KCl tambin debe ser de 1+. Siconsideramos el compuesto H2SO4, podemos ver que la valencia del grupo o ionsulfato (SO4) debe ser de 2-, ya que hay dos tomos de hidrgeno. Se toma el ionsulfato (SO42-) como unidad completa. En el caso de la sosa custica (NaOH), como elNa tiene una valencia de 1+, el ion hidroxilo (OH) debe tener una valencia de 1-. Parael hidrxido de calcio (cal), como el calcio tiene una valencia de 2+ y el ion hidroxilouna valencia de 1-, entonces el compuesto Ca(OH)2 debe tener dos iones hidroxilo.

Muchos elementos, tales como el hierro, cromo, nquel, cloro y azufre, pueden tenervarias valencias. La siguiente Tabla proporciona una lista de elementos e ionescomunes (grupos), con sus respectivos smbolos y valencias.

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Smbolos comunes y valencia.

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QUMICA DE LAS ARCILLAS

INTRODUCCIN

Un entendimiento riguroso de las arcillas puede ser la herramienta ms valiosa delingeniero de lodos. La arcilla puede ser aadida intencionalmente, tal como en el casode bentonita, o puede entrar en el lodo como contaminante importante mediante ladispersin de los slidos de perforacin. En cualquier caso, la arcilla se convierte enuna parte activa del sistema. Por este motivo, esnecesario entender la qumica bsica de las arcillas para controlar correctamente loslodos base agua. La qumica de las arcillas tambin es importante en lo que se refierea las interacciones entre los lodos base agua y las lutitas que afectan la estabilidad delpozo.

Arcilla es un trmino amplio que se usa comnmente para describir los sedimentos,suelos o rocas compuestos de partculas minerales y materia orgnica de granosextremadamente finos. Un buen ejemplo son las arcillas (a veces llamadas arcillas tipogumbo [arcillas plsticas]) encontradas en los jardines o a lo largo de las riberas.Estas arcillas son frecuentemente blandas y plsticas cuando estn mojadas, pero sevuelven duras cuando estn secas. sta propiedad fsica de blanda cuando mojada,dura cuando seca se puede relacionar con la presencia de ciertos mineralesarcillosos. Arcilla tambin se usa como trmino general para describir las partculasque tienen un dimetro inferior a 2 micrones, las cuales incluyen la mayora de losminerales arcillosos. Los minerales arcillosos son minerales de silicato alumnico degranos finos que tienen microestructuras bien definidas. En la clasificacin

mineralgica, los minerales arcillosos estn clasificados como silicatos estratificadosporque la estructura dominante se compone de camas formadas por capas de slice yalmina. Cada capa consta de una estructura laminar y delgada, llamada capa unitaria.Por ejemplo, un mineral de silicato estratificado tpico sera la mica o la vermiculita, lascuales pueden separarse en capas finas a lo largo de los planos de clivaje. La mayorade los minerales arcillosos tienen una morfologa laminar. Segn las unidadesrepetidas de la estructura, los minerales arcillosos tambin se pueden clasificar deacuerdo a la relacin de capas de slice a capas de almina, tal como 1:1, 2:1 y 2:2,adems de si estos minerales arcillosos son estratificados o en forma de aguja.

En la industria de fluidos de perforacin, ciertos minerales arcillosos tales como laesmectita, uno de los principales componentes de la bentonita, son usados para

proporcionar viscosidad, estructura de gel y control de filtrado. Las arcillas de laformacin se incorporan inevitablemente en el sistema de fluido de perforacin durantelas operaciones de perforacin y pueden causar varios problemas. Por lo tanto, losminerales arcillosos pueden ser beneficiosos o dainos para el sistema de fluido.

El trmino bentonita se usa para describir la montmorillonita sdica explotadacomercialmente (la cual constituye una forma de esmectita) que se usa como aditivopara el lodo de perforacin. Geolgicamente, la bentonita es una capa de ceniza

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volcnica alterada. La arcilla bentontica explotada en Wyoming proviene precisamentede esta capa de bentonita depositada volcnicamente. La arcilla bentontica explotadaen otras reas del mundo pueden provenir de otros tipos de depsitos geolgicos.

Debido a sus pequeos tamaos de partculas, las arcillas y los minerales arcillososson analizados con tcnicas especiales tales como la difraccin de rayos X, la

absorcin infrarroja y la microscopia electrnica. La Capacidad de IntercambioCatinico (CEC), la adsorcin de agua y el rea superficial son algunas de laspropiedades de los minerales arcillosos que suelen ser determinadas para lograr unamejor caracterizacin de los minerales arcillosos y minimizar los problemas deperforacin.

TIPOS DE ARCILLAS

Existe un gran nmero de minerales arcillosos, pero los que nos interesan en relacincon los fluidos de perforacin pueden ser clasificados en tres tipos. El primer tipoconsta de arcillas en forma de aguja no hinchables como la atapulguita o la sepiolita.Se cree que la forma de las partculas es responsable de la capacidad que la arcillatiene para aumentar la viscosidad. El tamao natural de cristales finos y la forma deaguja hacen que la arcilla desarrolle una estructura de escobillas amontonadas ensuspensin, demostrando as una alta estabilidad coloidal, incluso en la presencia deuna alta concentracin de electrolitos. Debido a su forma y a sus caractersticas nohinchables, estas arcillas demuestran un control de filtracin muy dbil. Por estemotivo, la atapulguita se usa principalmente como mejorador de viscosidad en loslodos base agua salada, mientras que la sepiolita se usa generalmente comoviscosificador suplementario para los fluidos geotrmicos y de alta temperatura. Estasarcillas no estn casi nunca presentes en las lutitas de las formaciones. El segundotipo son las arcillas laminares no hinchables (o ligeramente hinchables): ilita, clorita ykaolinita.

El tercer tipo son las montmorillonitas laminares muy hinchables. El segundo y el tercertipo de minerales arcillosos se encuentran en las lutitas de las formaciones, en el ordensiguiente y en cantidades decrecientes: (1) ilita, (2) clorita, (3) montmorillonita y (4)kaolinita. Como estn presentes en las formaciones perforadas, estas arcillas sedispersan en cantidades variables dentro del sistema de fluido de perforacin. Lamontmorillonita presente en las lutitas es generalmente la montmorillonita clcica,porque est en equilibrio con el agua de la formacin, la cual es generalmente rica encalcio.

La montmorillonita sdica (bentonita de Wyoming,) tambin se aade normalmente a

un lodo para aumentar la viscosidad y reducir el filtrado. Las propiedades de filtracin yreolgicas del lodo dependen de las cantidades de las diferentes arcillas contenidas enel lodo. Como la montmorillonita es aadida intencionalmente a un lodo para controlarestas propiedades, los otros tipos de arcillas pueden ser considerados comocontaminantes, visto que no son tan eficaces como una arcilla comercial.

La arcilla que existe naturalmente tiene una estructura apilada o estratificada, en lacual cada capa unitaria tiene un espesor de aproximadamente 10 angstroms (). Esto

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significa que cada milmetro de espesor consta de aproximadamente un milln decapas de arcilla. Cada capa de arcillas es altamente flexible, muy fina, y tiene un reasuperficial enorme. Se puede considerar que una partcula individual de arcilla es algoparecido a una hoja de papel o un trozo de celofn. Un gramo de montmorillonitasdica tiene un rea superficial de capa total de 8.073 pies2 (750m2)!

En agua dulce, las capas adsorben el agua y se hinchan hasta el punto en que lasfuerzas que las mantienen unidas se debilitan y las capas individuales puedensepararse de los paquetes. La separacin de estos paquetes en mltiples capas sellama dispersin. Este aumento del nmero de partculas, junto con el aumentoresultante del rea superficial, causa el espesamiento de la suspensin. La siguierntefigura es una fotomicrografa real de una partcula de bentonita. Ntese que se parecea una baraja de cartas abierta en abanico. Se puede observar que varias de laspartculas laminares se traslapan. Esta forma caracterstica de las partculas es lo queproduce el llamado efecto de cinglado que es tan importante para el control defiltrado.

Fotomicrografa de partculas de bentonita

Las arcillas son generalmente del tipo de dos capas como la kaolinita o del tipo de tres

capas como la montmorillonita, la clorita o la ilita. Cada partcula de arcilla laminar secompone de un apilamiento de capas unitarias paralelas. Cada capa unitaria consta deuna combinacin de hojas de slice dispuestas tetradricamente (en pirmide) y hojasde almina o magnesia dispuestas octadricamente (ocho caras). Las arcillas de trescapas se componen de capas unitarias constituidas por dos hojas tetradricas de cadalado de una hoja octadrica, en cierto modo como un emparedado como se muestraen la siguiente figura. Las arcillas de dos capas se componen de capas unitariasconstituidas por una hoja tetradrica y una hoja octadrica.

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Partcula de montmorillonita idealizada

Las arcillas pueden ser elctricamente neutras o estar cargadas negativamente. Por

ejemplo, la pirofilita [Al2Si4O10 (OH) 2], una arcilla neutra, como aparece en lasiguiente figura, es similar a la montmorillonita cargada negativamente.

Pirofilita elctricamente neutra.

ARCILLAS MONTMORILLONTICAS (ARCILLAS DE TRES CAPAS)

Si se sustituye un tomo de aluminio (Al3+) por un solo tomo de magnesio (Mg2+) enla estructura reticular (disposicin de los tomos), sta tendr un electrn excedente ouna carga negativa. La carga negativa neta es compensada por la adsorcin decationes (iones positivos) en las superficies de la capa unitaria, tanto en las superficiesinteriores como en las superficies exteriores del apilamiento.

Los cationes que se adsorben en las superficies de las capas unitarias pueden sercambiados por otros cationes y se llaman los cationes intercambiables de la arcilla. Lacantidad de cationes por peso unitario de la arcilla se mide y se registra comocapacidad de intercambio catinico (CEC). El catin puede ser un ion de simple cargacomo el sodio (Na+) o un ion de doble carga como el calcio (Ca2+) o el magnesio(Mg2+). De este modo, tenemos montmorillonita sdica, montmorillonita clcica y/omontmorillonita magnsica. Aunque la bentonita de Wyoming est generalmente

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definida como montmorillonita sdica, el calcio y el magnesio intercambiables puedenconstituir de 35 a 67% de la capacidad total de intercambio. La propiedad ms tpicade las montmorillonitas es la capacidad de hinchamiento entre capas (hidratacin) conel agua como se puede observar en las siguientes figuras.

Adems de la sustitucin del aluminio (Al3+) por el magnesio (Mg2+) en la red de

montmorillonita, muchas otras sustituciones pueden ser realizadas. Por lo tanto, elnombre montmorillonita se usa frecuentemente como nombre de grupo que incluyemuchas estructuras minerales especficas. Sin embargo, en los ltimos aos, se haaceptado cada vez ms el nombre esmectita como nombre de grupo, reservando eltrmino montmorillonita para los miembros predominantemente aluminosos del grupo.Este grupo de minerales incluye la montmorillonita, la hectorita, la saponita, lanontronita y otros minerales especficos.

Estructura de la esmectita

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ILITAS (ARCILLAS DE TRES CAPAS)

Las ilitas tienen la misma estructura bsica que las montmorillonitas, pero no muestranla capacidad de hinchamiento entre capas. En vez de la sustitucin de Al3+ por Mg2+como en la montmorillonita, la ilita tiene una sustitucin de Si4+ por Al3+, lo cual anproduce una carga negativa. Los cationes compensadores son principalmente el ion

potasio (K+), como lo indica la Figura 6. La carga negativa neta de la red que resultade estas sustituciones, mediante los iones potasio compensadores, es generalmentemayor que la carga de la montmorillonita, pudiendo ser hasta una vez y media msgrande que sta.

El espacio entre las capas unitarias es de 2,8 . El dimetro inico de K+ es de 2,66 .Esto permite que el K+ encaje perfectamente entre las capas unitarias, formando unenlace que impide el hinchamiento en la presencia de agua. Como las capas unitariasno se hinchan ni se separan al ser expuestas al agua, los iones potasio (K+) presentesentre las capas unitarias no estn disponibles para el intercambio. Slo los ionespotasio que se encuentran en las superficies exteriores pueden ser cambiados porotros cationes. Entre los minerales arcillosos 2:1, la esmectita, ilita, y capas mixtas deilita y esmectita son encontradas durante la perforacin de formaciones de lutita,causando frecuentemente distintos problemas relacionados con la estabilidad del pozoy el mantenimiento del fluido de perforacin. La naturaleza problemtica de estosminerales arcillosos puede estar relacionada con los cationes dbilmente enlazadosentre las capas y las cargas dbiles de las capas que producen el hinchamiento y ladispersin al entrar en contacto con el agua. A medida que la profundidad de entierroaumenta, la esmectita se convierte gradualmente en arcillas de capas mixtas deilita/esmectita, y finalmente en ilita y mica. Como resultado, las formaciones de lutita sevuelven generalmente menos hinchables pero ms dispersivas en agua, a medida quela profundidad aumenta.

CLORITAS (ARCILLAS DE TRES CAPAS)Las cloritas estn estructuralmente relacionadas con las arcillas de tres capas. Lascloritas no se hinchan en su forma pura, pero puede hacerse que hinchen ligeramenteal ser modificadas.

En estas arcillas, los cationes compensadores de carga entre las capas unitarias detipo montmorillonita son reemplazados por una capa de hidrxido de magnesiooctadrico, o brucita ver la siguiente figura. Esta capa tiene una carga positiva netadebido a la sustitucin de ciertos Mg2+ por Al3+ en la capa de brucita. Las cloritas seencuentran frecuentemente en antiguos sedimentos marinos enterrados a grandesprofundidades, y normalmente no causan ningn problema importante a menos que

estn presentes en grandes cantidades. La capacidad de intercambio catinico de laclorita vara de 10 a 20 meq/100 g, principalmente debido a los enlaces rotos. Ladistancia entre capas del clorita suele ser de aproximadamente 14 . La cloritatambin puede formar arcillas de capas mixtas con otros minerales arcillosos talescomo la esmectita. La arcilla resultante de capas mixtas tendra las propiedades deambos tipos de minerales arcillosos.

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Captulo 2


Comparacin de estrucuturas de arcillas

KAOLINITAS (ARCILLAS DE DOS CAPAS)

La kaolinita es una arcilla no hinchable cuyas capas unitarias estn fuertementeligadas mediante enlaces de hidrgeno. Esto impide la expansin de la partcula,porque el agua no es capaz de penetrar en las capas. La kaolinita no contiene cationesentre capas ni tiene cargas superficiales porque no se produce casi ninguna sustitucinen las hojas tetradricas u octadricas. Sin embargo, algunas pequeas cargaspueden resultar de los enlaces rotos o las impurezas. Por lo tanto, la kaolinita tiene unacapacidad de intercambio catinico relativamente baja (de 5 a 15 meq/100 g). Lakaolinita se encuentra comnmente como componente menor a moderado (5 a 20%)de las rocas sedimentarias tales como las lutitas y las areniscas.

La siguiente tabla contiene un resumen de los minerales arcillosos y en la figuraanterior se presenta una comparacin esquemtica de las diferentes estructuras de lasarcillas.

Arcillas encontradas comnmente.

CAPACIDAD DE INTERCAMBIO CATINICO (CEC)

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Captulo 2


Los cationes compensadores que se adsorben en la superficie de la capa unitariapueden ser cambiados por otros cationes y se llaman los cationes intercambiables dela arcilla. La cantidad de cationes por peso unitario de la arcilla es medida y registradacomo la CEC (capacidad de intercambio catinico). La CEC est expresada enmiliequivalentes por 100 g de arcilla seca (meq/100 g). La CEC de la montmorillonita

est comprendida dentro del rango de 80 a 150 meq/100 g de arcilla seca. La CEC delas ilitas y cloritas es de aproximadamente 10 a 40 meq/100 g, y la CEC de laskaolinitas es de aproximadamente 3 a 10 meq/100 g de arcilla.

La Prueba de Azul de Metileno (MBT) es un indicador de la CEC aparente de unaarcilla. Cuando se realiza esta prueba sobre un lodo, se mide la capacidad total deintercambio de azul de metileno de todos los minerales arcillosos presentes en el lodo.Normalmente se registra la Capacidad de Azul de Metileno (MBC) como cantidadequivalente de bentonita de Wyoming requerida para obtener esta misma capacidad.Es importante notar que la prueba no indica directamente la cantidad de bentonitapresente. Sin embargo, la cantidad aproximada de bentonita y slidos en el lodo puedeser calculada basndose en el hecho de que los slidos de perforacin normales

tienen una CEC equivalente a 1/9 de la CEC de la bentonita, y si se calcula la cantidadde slidos de perforacin presentes en el lodo a partir de un anlisis de retorta. Esteclculo aproximado de la cantidad de bentonita aadida y slidos de perforacin puedeser ms preciso cuando se mide la MBC de los recortes de perforacin. Esteprocedimiento puede ser til para evaluar la cantidad y la calidad de las arcillas en ellodo.

Para hacerse una idea de los cationes que reemplazarn a otros cationes en lasposiciones de intercambio, se acepta generalmente la siguiente secuencia,disponindola en orden de preferencia decreciente:

H+ > Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > NH4+ > Na+ > Li+

Es decir que cualquier catin a la izquierda reemplazar a cualquier catin ubicado asu derecha.

La concentracin relativa de cada catin tambin afecta esta preferencia deintercambio catinico. Aunque resulte ms difcil reemplazar el calcio que el sodio, si laconcentracin inica de Na+ es considerablemente ms alta que la concentracin deCa2+, el sodio desplazar al calcio. El intercambio catinico puede resultar de uncambio de temperatura visto que muchos compuestos tienen diferentes relaciones desolubilidad a temperatura. La solubilidad de algunas de las sales clcicas comunes,tales como CaSO4, disminuye a grandes temperaturas, mientras que la solubilidad dela mayora de los compuestos de sodios aumenta. A medida que la concentracin de

Na+

/Ca2+

aumenta, los cationes Ca2+

de la arcilla tienden a ser reemplazados por loscationes Na+ de la solucin.

COMPOSICIN DE LOS LODOS BASE AGUA ARCILLA

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En la mayora de las reas, las arcillas comerciales Bentonita son aadidas al aguapara preparar un lodo base agua. Las arcillas cumplen dos funciones: (1) proporcionarviscosidad al fluido de perforacin, y (2) depositar un revoque que sellar lasformaciones permeables para limitar las prdidas por filtracin y evitar el atascamientode la tubera. En algunas reas, la perforacin puede ser iniciada con agua, dejando

que los slidos perforados se incorporen, produciendo suficientes propiedades parapermitir la perforacin del pozo. En otras situaciones, se usan sistemas a base depolmeros cuando no se aade ninguna arcilla a la formulacin .

En los lodos base agua-arcilla, el agua constituye la fase lquida continua en la cualciertos materiales son mantenidos en suspensin y otros materiales se disuelven. Seusa un gran nmero de aditivos de lodo para obtener propiedades especiales, pero,fundamentalmente, todos los componentes pueden ser divididos en tres categoras.

1. La fase acuosa es la fase continua del lodo. Segn la ubicacin y/o el aguadisponible, sta puede ser agua dulce, agua de mar, agua dura, agua blanda, etc. Noes raro que se use una variedad de soluciones de salmueras, saladas a saturadascomo lquido de base para preparar un sistema a base de agua.

2. La fase de slidos reactivos se compone de arcillas comerciales, arcillas hidratablesincorporadas y lutitas de las formaciones perforadas que son mantenidas ensuspensin de la fase fluida. Estos slidos son tratados qumicamente para controlarlas propiedades del fluido de perforacin. Varios aditivos sern usados para obtenerlas propiedades deseadas.

3. 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.La barita es aadida al fluido de perforacin para aumentar la densidad del fluido ytambin constituye un slido inerte.

HIDRATACIN DE LAS ARCILLASEl cristal de bentonita se compone de tres capas: una capa de almina con una capade slice encima y otra debajo. La laminilla de arcilla est cargada negativamente y unanube de cationes est relacionada con sta. Si un gran nmero de estos cationes sonsodio, la arcilla ser frecuentemente llamada montmorillonita sdica. Si los cationesson principalmente calcio, la arcilla ser llamada montmorillonita clcica.

Segn el nmero de cationes presentes, el espacio entre capas de la montmorillonitaseca estar comprendido entre 9,8 (sodio) y 12,1 (calcio) y lleno de aguafuertemente ligada. Cuando la arcilla seca entra en contacto con agua dulce, elespacio entre capas se expande y la arcilla adsorbe una gran envoltura de agua.Estos dos fenmenos permiten que las arcillas generen viscosidad. Como lo indica lafigura siguiente, las bentonitas a base de calcio slo se expanden hasta 17 , mientrasque la bentonita sdica se expande hasta 40 .

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Comparacin del hinchamiento para la montmorillonita clcica y sdica

El espesor de la pelcula de agua adsorbida es controlado por el tipo y la cantidad decationes asociados con la arcilla. El agua que se adsorbe en las grandes superficiesplanares contiene la mayor parte del agua total retenida por las arcillas hidratables. Loscationes divalentes como Ca2+ y Mg2+ aumentan la fuerza de atraccin entre laslaminillas, reduciendo as la cantidad de agua que se puede adsorber. Los cationesmonovalentes como Na+ producen una fuerza de atraccin ms dbil, permitiendo quems agua penetre entre las laminillas.

Como la bentonita sdica se hincha cuatro veces ms que la bentonita clcica, labentonita sdica generar una viscosidad cuatro veces ms importante. El captulosobre los Sistemas a Base de Agua describe ms detalladamente el papel que elintercambio basado en el calcio desempea en los sistemas tratados con calcio.

Adems de adsorber el agua y los cationes en las superficies exteriores, la esmectitaabsorbe agua y cationes en las superficies entre las capas de su estructura cristalina.La esmectita tiene una capacidad de adsorcin de agua mucho ms grande que otrosminerales arcillosos. La capacidad de adsorber agua, la cantidad de cationesintercambiables (CEC) y el rea superficial son fenmenos muy relacionados entre sque a veces son llamadospropiedades coligativas de la arcilla.

Estas propiedades coligativas son bsicamente medidas de la reactividad de la arcilla.Como la CEC es fcil de medir, se trata de un mtodo prctico para evaluar lareactividad de la arcilla o lutita. La CEC de la arcilla se puede medir mediante unavaloracin de azul de metileno. Para medir la CEC, se usa una solucin de azul demetileno 0,01 N, de manera que el nmero de milmetros de solucin de azul demetileno requeridos para llegar al punto final sea igual a meq/100 g. El rango de CECpara materiales minerales arcillosos puros est indicado en la siguiente tabla:

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Rangos de CEC para materiales minerales arcillosos puros

La esmectita es claramente mucho ms reactiva que otros materiales mineralesarcillosos. Las lutitas que contienen esmectita son las ms sensibles al agua y las mshidratables. Las lutitas que contienen otros minerales arcillosos tienen una menorcapacidad de hidratacin, aunque puedan ser sensibles al agua. La mayora de las

lutitas contienen varios tipos de arcillas en cantidades variables. La reactividad de unalutita depende de los tipos y de las cantidades de minerales arcillosos presentes en lalutita. Muchas veces, la CEC constituye una mejor medida de la reactividad de la arcillaque el anlisis mineralgico deducido del anlisis de difraccin de rayos X.

INFLUENCIA CATINICA SOBRE LA HIDRATACIN

Como se indic previamente, el poder relativo de sustitucin de un catin por otro estindicado por la siguiente secuencia:

H+

> Al3+

> Ca2+

> Mg2+

> K+

> NH4+

> Na+

> Li+

Un catin puede servir de enlace para mantener unidas a las partculas del mineralarcilloso, lo cual reduce la hidratacin. Los cationes multivalentes producen un enlacems fuerte entre las capas que los cationes monovalentes, lo cual resultageneralmente en la agregacin de las partculas de arcilla. El potasio, un catinmonovalente, constituye la excepcin de la regla. Los cationes adsorbidos puedenhidratarse y atraer una envoltura de agua que tiene una forma definida. El tamao y laforma del catin hidratado afectan su capacidad de encajar entre las superficies entrecapas de la arcilla y afectan tanto el hinchamiento de la arcilla como la hidratacin dela arcilla. Los espacios dentro de las capas de montmorillonita cristalina son de 2,8 .Los pequeos iones, como el potasio, que encajan entre las capas de arcilla, son

intercambiados con mayor facilidad y de manera permanente. Adems, los cationesque aumentan de tamao al hidratarse extienden las distancias entre capas paraestimular la hidratacin de la arcilla. El calcio es un buen ejemplo, teniendo undimetro hidratado de 19,2 . El litio es otro ejemplo, teniendo tres molculas de aguay un dimetro hidratado de 14,6 . Los cationes monovalentes que tienen grandesdimetros hidratados causan el mayor hinchamiento y la mayor dispersin. Loscationes multivalentes que tienen pequeos dimetros hidratados son los msinhibidores.

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La siguiente Tabla enumera el dimetro inico (cristalino) y el dimetro hidratado delos cationes que son comunes a los fluidos de perforacin. Despus de adsorberse enla regin entre capas, los cationes hidratados pueden deshidratarse con el tiempo y serexpuestos a altas temperaturas para que las distancias entre capas se reduzcan y quelos cationes se vuelvan menos reactivos (ver la fijacin de iones descritas en la

siguiente seccin).

Radios inicos y radios de hidratacin de los cationes comunes

REACCIONES DE LA ARCILLA CON IONES POTASIO

Las reacciones qumicas entre la arcilla y los iones potasio son nicas en comparacincon otros iones. El modelo de intercambio de iones no explica totalmente la interaccindel potasio con la arcilla. Se prestar particular atencin a este proceso, debido al usogeneralizado del potasio en los fluidos de perforacin y terminacin para estabilizar laslutitas reactivas. Incluso en las aplicaciones costafuera en los Estados Unidos, dondeel nivel de potasio debe ser mantenido por debajo de 5% por razones ambientales,esta pequea concentracin de iones puede ayudar a estabilizar las formaciones delutita activa porque la fijacin de iones puede producirse en algunas arcillas esmctitascuando son expuestas al potasio.

Segn Eberl (1980), el potasio puede asociarse con los minerales arcillosos de dosmaneras:1. Intercambio de iones (descrito anteriormente).2. Fijacin de iones.

La reaccin de intercambio de iones se rige por la ley de accin de masas; es decirque la velocidad de intercambio depende de la concentracin de los iones (por ej.:cuanto ms grande sea la relacin de iones K a iones Na, ms rpida ser la velocidadde intercambio de K+ por Na+).

Adems del intercambio de iones, la fijacin de iones ocurrir en las arcillas con capade alta carga. Esto aumenta la electividad de la arcilla respecto al potasio en un ordende magnitud. Las arcillas montmorillonticas, tales como la bentonita de Wyoming yalgunas lutitas de tipo gumbo que se depositaron en ambientes pobres en potasio,son selectivas respecto al potasio. Basndose en clculos tericos, Eberl hadeterminado que la fijacin de potasio en las arcillas esmctitas ocurre cuando la cargade capas es alta e inclina el equilibrio hacia el intercambio preferencial de cationes conel potasio.

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En la Costa del Golfo, el contenido de esmectita de las lutitas y de los gumbos sederiva de la meteorizacin de las rocas gneas y metamrficas o de la esmectitasedimentaria reciclada que se deriv a la larga de las rocas gneas y metamrficas.

Adems, las arcillas esmctitas en el Golfo de Mxico fueron sometidas a cierto gradode alteracin mediante el proceso llamado diagnesis por entierro. Esta alteracin

diagentica puede dividirse en una reaccin de dos etapas. La primera etapa es lacreacin de esmectita con capa de alta carga mediante la sustitucin de silicio poraluminio en la capa tetradrica de la esmectita. Luego, la esmectita con capa de altacarga se convierte en ilita (en realidad, capas mixtas de ilita/esmectita) mediante lafijacin de potasio. Esta fijacin de potasio ocurre naturalmente, incluso cuando lasolucin de poros tiene una alta relacin de sodio a potasio

Hay suficiente potasio disponible para permitir que las capas de esmectita setransformen en capas de ilita en muchos marcos geolgicos. En otros marcosgeolgicos, la transformacin total no puede producirse porque no hay suficientepotasio disponible. En marcos geolgicos donde la transformacin de las capas deesmectita en capas de ilita ha sido limitada por la falta de potasio, esmectita con capa

alta carga puede desarrollarse mediante diagnesis. As es con las arcillas esmctitasde la Costa del Golfo. En general tienen capas de alta carga, y una mayor porcin dela carga aparecer en la capa tetradrica que debera ser ms selectiva respecto alpotasio a bajas temperaturas. Por lo tanto, cuando se dispone del potasioproporcionado por el fluido de perforacin, incluyendo los lodos base agua salada conuna alta relacin de sodio a potasio, la conversin de las capas de esmectita con capade alta carga en capas de ilita se producir. Esta reaccin tiene como efecto laestabilizacin de la lutita.

En algunas lutitas de tipo gumbo, las capas de esmectita con capa de alta cargacoexisten con las capas de esmectita con capa de baja carga. Las capas de esmectitacon capa de baja carga no fijarn el potasio, y en los casos donde la concentracin depotasio es considerablemente menor que la concentracin de sodio, dichas capas secomportarn de conformidad con la teora clsica de intercambio de iones. Por lo tanto,aumentando la relacin de potasio a sodio en el lodo se ayudar a saturar las capas deesmectita con capa de baja carga, con potasio y aumentar la estabilizacin de lalutita.

PROCESOS DE ENLACE DE LAS PARTCULAS DE ARCILLA

Adems de conocer la cantidad y calidad de las arcillas de un lodo, se requiereconocer el estado de asociacin de las partculas de arcilla. Los distintos procesos deenlace de las partculas de arcilla son importantes para la reologa de las suspensionesde arcilla. Estos procesos de enlace deben ser comprendidos para entender y controlar

los cambios reolgicos en los fluidos de perforacin.Las partculas laminares finas y planas de arcilla tienen dos superficies diferentes. Lacara grande o superficie planar est cargada negativamente y la superficie fina delborde est cargada positivamente donde se interrumpe la red y se expone la superficiedel enlace roto. Estas cargas elctricas y los cationes intercambiables crean alrededorde las partculas de arcilla un campo de fuerzas elctricas que determina la manera enque dichas partculas interactan las unas con las otras. Si los iones intercambiables

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se disocian de la superficie de la arcilla, la fuerza repulsiva entre las lminas cargadasnegativamente es grande y las lminas se dispersarn, alejndose las unas de lasotras. La dispersin completa es rara y es probable que slo pueda ocurrir ensuspensiones diluidas de montmorillonita sdica purificada. En general se produce uncierto grado de enlaces entre las partculas.

Las partculas de arcilla se asocian cuando estn en uno de los siguientes estados:agregacin, dispersin, floculacin o desfloculacin como se muestra en la siguientefigura. Pueden estar en uno o varios estados de asociacin al mismo tiempo, con unestado de asociacin predominando.

Asociacin de las arcillas.

La agregacin (enlace de cara a cara) resulta en la formacin de lminas o paquetesms gruesos. Esto reduce el nmero de partculas y causa una reduccin de laviscosidad plstica. La agregacin puede ser causada por la introduccin de cationesdivalentes, tales como Ca2+, en el fluido de perforacin. Esto podra resultar de la

adicin de cal o yeso, o de la perforacin de anhidrita o cemento. Despus delaumento inicial, la viscosidad disminuir con el tiempo y la temperatura, hasta llegar aun valor inferior al valor inicial.

La dispersin, reaccin contraria a la agregacin, resulta en un mayor nmero departculas y viscosidades plsticas ms altas. Las laminillas de arcilla son normalmenteagregadas antes de ser hidratadas y cierta dispersin ocurre a medida que se hidratan.El grado de dispersin depende del contenido de electrolitos en el agua, del tiempo, dela temperatura, de los cationes intercambiables en la arcilla y de la concentracin dearcilla. La dispersin es ms importante cuando la salinidad es ms baja, los tiemposms altos, las temperaturas ms altas y la dureza ms baja. Incluso la bentonita deWyoming no se dispersa totalmente en agua a la temperatura ambiente.

La floculacin se refiere a la asociacin de borde a borde y/o borde a cara de laspartculas, resultando en la formacin de una estructura similar a un castillo denaipes. Esto causa un aumento de la viscosidad, gelificacin y filtrado. La severidadde este aumento depende de las fuerzas que actan sobre las partculas enlazadas ydel nmero de partculas disponibles para ser enlazadas.

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Cualquier cosa que aumenta las fuerzas repulsivas entre las partculas o causa lacontraccin de la pelcula de agua adsorbida, tal como la adicin de cationesdivalentes o las temperaturas elevadas, puede fomentar la floculacin.

La defloculacin es la disociacin de las partculas floculadas. La adicin de ciertosproductos qumicos al lodo neutraliza las cargas electroqumicas en las arcillas. Esto

elimina la atraccin que resulta del enlace borde a borde y/o borde a cara entre laspartculas de arcilla. Como la defloculacin causa una reduccin de la viscosidad, losproductos qumicos defloculantes son frecuentemente llamados diluyentes de lodo. Ladefloculacin tambin permite la disposicin plana de las partculas de arcilla en elrevoque para reducir el filtrado.

RENDIMIENTO DE LAS ARCILLASEl rendimiento de las arcillas se define como el nmero de barriles de lodo de 15 cP(centipoise) que se puede obtener a partir de una tonelada de material seco. Lasiguiente figura ilustra la razn por la cual se seleccion 15 cP como valordeterminante para el rendimiento. La parte crtica de la curva para todos los tipos de

arcilla aparece a 15 cP. Grandes adiciones de arcilla hasta 15 cP aumentan muy pocola viscosidad, mientras que las pequeas cantidades de arcilla tienen un efectomarcado sobre la viscosidad de ms de 15 cP. Esto es cierto no solamente para lasarcillas comerciales, sino tambin para los slidos de perforacin hidratables. Tambinresulta vlido que una suspensin de arcilla de 15 cP soportar la barita en lossistemas de lodo densificado.

Este grfico puede ser muy til para el ingeniero de lodos. Para una viscosidaddeterminada de las diferentes arcillas, se puede obtener datos relacionados con ladensidad de la lechada, el porcentaje de slidos en peso, el rendimiento en barriles portonelada, el porcentaje de slidos en volumen y las libras de slidos por barril de lodo

Por ejemplo, se requiere aproximadamente 20 lb/bbl de bentonita para producir un lodocon una viscosidad de 15 cP. Por lo tanto, en base al grfico, este lodo contendra5,5% slidos en peso, tendra un rendimiento de 100 bbl/tonelada, tendra 2,5% slidosen volumen, y pesara unas 8,6 lb/gal.

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Curvas de viscosidad resultantes de diferentes slidos de arcilla

El rendimiento sera inferior si una arcilla tomara menos agua. En comparacin, si sehubiera usado subbentonita para producir un lodo con una viscosidad de 15 cP, estelodo contendra 18% slidos en peso, tendra un rendimiento de solamente 28bbl/tonelada, contendra 8,5% slidos en volumen y pesara casi 9,4 lb/gal. Las arcillastienen muchas aplicaciones en los lodos de perforacin. La mejor manera de aumentarla viscosidad de un lodo de perforacin usando la menor cantidad posible de slidossera aadiendo una arcilla que tenga el mayor rendimiento. Los valores ms bajos defiltrado pueden ser obtenidos con la bentonita, porque las partculas gruesas y detamao mediano son producidas normalmente a partir de la formacin. La calidad dellodo ser mejorada utilizando bentonita de Wyoming de alta calidad.

FACTORES QUE AFECTAN EL RENDIMIENTO DE LAS ARCILLAS

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La hidratacin y la dispersin de la arcilla seca son muy afectadas si el agua depreparacin contiene sal o varios iones metlicos. Por ejemplo, muchos lodos deperforacin son preparados con agua salada por razones de economa y conveniencia.Un anlisis tpico del agua salada puede contener los siguientes componentes: El aguaque contiene cualquier concentracin de sal puede ser saturada con una sal adicional.

El agua salada saturada contiene aproximadamente 315.000 mg/l de cloruro de sodio.Se requiere aproximadamente 120 lb/bbl de sal para saturar el agua dulce. Lasiguiente figura muestra el efecto de varias concentraciones de estos iones sobre lahidratacin de la bentonita. En general, se puede decir que la hidratacin de las arcillasa base de agua dulce disminuye rpidamente a medida que las concentraciones deestos iones aumentan.

Efecto de la viscosidad cuando se aade bentonitaal agua que contiene disitintas concentraciones de

sal y calcio

El agua que contiene calcio o magnesio se llama agua dura. Para obtener una mayorviscosidad de la arcilla, una de las prcticas consiste en suavizar el agua aadiendocarbonato de sodio y sosa custica para precipitar el calcio y el magnesio.

Cuando la solucin tiene altas concentraciones de cloruro, la nica manera de reducirla concentracin es diluyendo con agua dulce.

Cuando el agua de preparacin es salada, se puede usar atapulguita para lograr laviscosidad. La atapulguita es un mineral nico. Su estructura cristalina es en forma deaguja, Su capacidad para aumentar la viscosidad es independiente del agua depreparacin.

La capacidad de aumentar la viscosidad no depende de la hidratacin, sino de lamedida en que los paquetes de agujas son sometidos al esfuerzo de corte. Laviscosidad resultante es creada por dos elementos:

1. La formacin de estructuras de escobillas amontonadas por los esfuerzos de corte.

Esto presenta una simple analoga con la agitacin de paja en agua.2. Las fuerzas de atraccin entre partculas, creadas por cargas de enlaces rotos enlos bordes de agujas rotos por los esfuerzos de corte Como la arcilla de atapulguita

desarrolla una viscosidad similar en cualquier tipo de agua de preparacin, se podrapreguntar por qu no se usa siempre la atapulguita? La respuesta sera (1) mayor

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costo, (2) falta de control de filtracin debido a la forma de las partculas y (3)caractersticas reolgicas ms difciles de controlar.

La bentonita puede ser usada como viscosificador eficaz en agua salada si esprehidratada en agua dulce antes de ser aadida al agua salada. Resulta convenientemantener un pH de 9 a 10 y tratar la lechada de bentonita prehidratada con un

defloculante antes de aadirla al agua salada. De esta manera, se puede reducir lafloculacin inicial seguida por una prdida de viscosidad causada por la deshidratacinen el ambiente de agua salada.

2 Quimica Basica y Arcillas 2

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