Emiliano Ariza León; Alba Liliana Castro Cely*; Juan David Gómez Cañon
Escuela de Ingeniería de Petróleos. Universidad Industrial de Santander, Cra. 27 Calle 9,
Bucaramanga, Colombia
*earizal@uis.edu.co
Fecha Recepción: 29 de enero de 2013
Fecha Aceptación: 06 de junio de 2013
El almidón de achira es un polímero de glucosa natural proveniente de una variedad de plantas o semillas,
compuesto principalmente por una fracción molecular lineal (amilosa) y una ramificada (amilopectina),
la relación de estos componentes y su organización física dentro de la estructura granular le confiere al
almidón propiedades fisicoquímicas y funcionales características. La industria de los hidrocarburos desde
el año de 1930, ha venido utilizando el almidón como agente aditivo en todo tipo de lodos, mostrando alta
eficacia en funciones durante las actividades de perforación tales como la remoción de sólidos del fondo
del hueco y en el control de filtrado hacia la formación.
En este trabajo se evalúo la efectividad del almidón de achira o sagú sin modificar, como agente
controlador de filtrado en lodos de perforación base agua, respecto a otros aditivos comercialmente
utilizados por la industria, elaborados a base de celulosa polianiónica y polisacárido preservado. Se
realizaron, al fluido de perforación y a condiciones de laboratorio, pruebas estándar de filtrado API,
reología y pH.
Los resultados de esta investigación muestran que el almidón de achira puede ser utilizado como agente
controlador de filtrado en lodos de perforación base agua con un rendimiento superior comparado con
los aditivos utilizados en este proyecto.
Palabras clave: fluido de perforación, almidón de Achira, agente controlador de filtrado, prueba de filtrado API.
Canna is a polymer of natural glucose coming from a variety of plants or seeds, composed mainly of a
molecular fraction linear (amylose) and branched (amylopectin), the relationship of these components
and their physical arrangement within the granular structure gives to starch physico-chemical properties
and functional characteristics. The oil and gas industry since the year of 1930 has been using starch as
agent additive in all kinds of sludge, showing a high effectiveness in functions during drilling activities
such as the removal of solids from the bottom of the hole and in the filtering control toward the formation.
In this work, we evaluated the effectiveness of the starch unmodified of achira or also named sago, as
agent filtering in drilling mud water base compared to other commercial additives used by the industry,
developed with cellulose polyanionic and polysaccharide. The drilling fluid was designed to laboratory
conditions and was made testing standard filtering API, rheology and pH.
The result of this investigation shows Canna's starch can be used as filtering agent controller in water-base
drilling mud with a better performance that other additives usually used to this purpose.
Keywords: drilling fluid, Achira's starch, viscosifiers agent, filtration control agent, API filtration test.
El logro de operaciones de perforación de pozos
rápidas y seguras se alcanza con un fluido o lodo
adecuado para las características geológicas de
la formación a perforar y con el conocimiento y
experiencia del personal encargado [1].
Las funciones del fluido de perforación son
inherentes a cada pozo, entre las más importantes
encontramos la remoción de recortes de roca del
pozo, el control de la presión de formación y la
lubricación de las brocas y herramientas utilizadas
en la perforación [2].
El fluido de perforación está generalmente
compuesto de una fase sólida y otra líquida que
cuando se agitan forman una fase homogénea,
para que pueda cumplir sus funciones. Cuando
el fluido es enviado al fondo del hueco tiene
contacto con algunas formaciones de roca que
son porosas y permeables y actúan como un filtro
que permite el paso de una fracción de la fase
líquida, fenómeno denominado pérdida de filtrado.
Para disminuir esta pérdida es necesario adicionar
al lodo un componente de tamaño coloidal que
puede ser un polímero sintético o un biopolímero
como el almidón. Dentro de los biopolímeros que
más se han utilizado para el control de filtrado en
fluidos de perforación se encuentran los obtenidos
a partir de maíz y papa.
La industria de los hidrocarburos está en
constante investigación e incorporación de nuevas
tecnologías, por tanto es importante implementar
productos naturales para sustituir los existentes
manteniendo y optimizando las propiedades
reológicas del lodo, que sean asequibles,
amigables con el medio ambiente y que disminuyan
los costos, lo que es rentable para las empresas
que invierten en perforación de pozos [3].
Colombia, tiene abundantes recursos naturales
que se pueden utilizar como sustitutos de aditivos
en lodos de perforación, entre ellos encontramos
el almidón de Canna edulis Ker conocida
como achira o sagú, ampliamente cultivada en
Colombia en los departamentos del Tolima, Huila y
Cundinamarca [4], que generalmente lo utilizan en
la industria alimenticia. Con el fin de evaluar otro
posible uso de este almidón, en el presente artículo
se presentan los resultado del estudio de su uso
como controlador de filtrado en lodos base agua,
comparados con los obtenidos con productos
comerciales aplicados para este propósito.
El almidón de achira tiene el mayor porcentaje de
amilosa (31-38%p), componente principalmente
responsable de la viscocificación del fluido; tiene
partículas de una gran variedad de tamaños (30-100μm) y forma adecuada para la formación de
una torta del lodo, para el control de pérdida de
filtrado hacia la formación, lo cual lo convierte en
un potencial agente controlador de filtrado para
lodos de perforación. El costo de un saco de 50lb
(22,7kg) de almidón de achira es del orden de
100 US$ comparado con la celulosa polianiónica
y el polisacárido preservado que es de 150 US$.
El principal aporte del uso de productos naturales,
como la achira, es poder beneficiar a los
cultivadores, al medio ambiente y a la actividad de
la perforación en general [5].
Obtención del almidón
La achira, es una planta de origen andino que
esencialmente se cultiva para la producción
del almidón que es extraído de sus rizomas, en
climas con altitudes inferiores a 2700m sobre el
nivel del mar. De acuerdo con estudios realizados
por la Corporación Colombiana de Investigación
Agropecuaria, CORPOICA, en la actividad de
producción de almidón de achira participan 1169
productores, que vinculan cerca de 3500 personas,
y se genera una producción aproximada de 1400
toneladas anuales de almidón; en total se estima
un área cultivada de 700 hectáreas, donde el 95%
de la producción tiene lugar en el departamento
de Cundinamarca. En Colombia, el proceso de
extracción del almidón de achira es netamente
artesanal [6].
La achira es una de las plantas que produce mayor
rendimiento de almidón por unidad de superficie
cultivada, el rizoma de achira tiene forma de
trompo. Dentro de la diversidad de almidones,
el de achira se identifica con mayor facilidad
por su considerable rapidez de sedimentación,
proporcionada principalmente por el mayor
diámetro de partícula. El almidón de achira, limpio
y puro, obtenido de un proceso de extracción y
comercializado sin adición de materias similares
y/o mejoradores, presenta como características
físicas: color blanco grisáceo, olor y sabor neutro,
textura polvosa; y su composición en porcentaje
en peso debe ser: contenido de almidón de 71,1-81,3%, humedad 13,6-23,4%, proteína 0,18-0,71%, grasa 0,048-0,09%, cenizas 0,17-0,4%,
fibra 0,0023-0,0053%, tiempo de sedimentación
6,2-16,5min, tamaño de partícula 100 a 300μm,
densidad 0,63 - 0,71g/cm3, pH 5,5 - 6,2 [7].
El almidón de achira empleado en la presente
investigación fue adquirido en el comercio
en el departamento del Huila y cuenta con
las características de calidad explicadas
anteriormente.
Diseño experimental
Se seleccionó un diseño experimental aleatorio
con réplicas, los datos obtenidos se ingresaron al
software STAT-Graphics VII, en el cual se controla
la validez de cada prueba mediante un ANOVA en
un modelo a una vía de clasificación. Se calculó la
media, la varianza y la desviación estándar con el
fin de establecer la confiabilidad de los datos.
La Ecuación 1 de análisis de varianza tipo I se
usó para el análisis de los resultados de los
experimentos.
Dónde:
Yij= Valor de respuesta, i= Número de tratamiento,
j= Número de réplicas, μ= media general, τj= Efecto
diferencial del tratamiento, εij = Error experimental
aleatorio.
Para evaluar la factibilidad del uso del almidón de
achira como agente controlador de filtrado de lodos
de perforación base agua, se programaron pruebas
(norma API 13B-1) de filtrado API, medición de
reología y pH del lodo para establecer la incidencia
del aditivo sobre las demás propiedades, al igual
que una prueba de observación de degradación.
Prueba de filtrado API. Esta prueba evalúa
el comportamiento de un aditivo como agente
controlador de filtrado en el lodo de perforación.
El filtrado indica la cantidad relativa de líquido que
se filtra a través de la torta hacia las formaciones
de roca permeables, cuando el fluido es sometido
a una presión diferencial. Una pérdida excesiva
de filtrado durante la perforación de un pozo
petrolero, puede generar entre otros problemas:
daños a la formación, las muestras de fluido
tomadas de la formación productora no serán
representativas, las zonas de aceite y gas pueden
pasar desapercibidas porque el filtrado desplaza a
los hidrocarburos alejándolos de la cara del pozo
y se puede presentar hinchamiento de arcillas e
inestabilidad del hueco.
Por lo tanto se hace necesaria la utilización
de polímeros que pueden variar de almidones
naturales y celulosa modificada (biopolímeros) a
polímeros sintéticos, capaces de proporcionar el
control de la filtración a temperaturas elevadas y
en condiciones adversas.
Los polímeros reducen la pérdida de filtrado de
varias maneras: sellando las grietas de la torta del
lodo con partículas de polímeros, encapsulando
los sólidos mediante la formación de una película
que reduce la permeabilidad de la torta y mediante
el incremento de viscosidad de la fase líquida.
La prueba de filtrado API se realiza a temperatura
ambiente y a una presión de 100psi (689,4kPa). Las
filtro-prensas cumplen con las especificaciones API
13B-1 para determinar el filtrado o pérdida de agua
que pasa hacia la formación permeable cuando
el fluido es sometido a una presión diferencial
(presión hidrostática del lodo menos presión de la
formación). Se coloca el fluido a estas condiciones
y se mide el volumen (ml) de la fase continua
(agua para lodos base agua) que se libera en un
tiempo de 30min; el volumen registrado en este
tiempo es conocido como pérdida de filtrado [8].
La torta del lodo es obtenida por la acumulación de
sólidos mediante el proceso de filtración; una buena
torta debe tener entre 1/32in (0,079cm) y 2/32in
(0,015cm) de espesor, ser plástica y consistente.
A las pérdidas de filtrado y las características de la
torta se les conoce como propiedades del filtrado.
En la presente investigación se realizaron pruebas
a dos lodos base agua bentonita con un pH de 11
y densidad de 8,5lb/gal (1013g/L) denominados
(I y II), donde se comparó el comportamiento del
almidón de la achira como controlador de filtrado
con controladores que usualmente se utilizan
en la industria a base de celulosa polianiónica
y polisacárido preservado (previamente tratado
contra la fermentación), adicionalmente se
midieron las propiedades reológicas del lodo, la
densidad y el pH, con el fin de analizar la incidencia
del almidón de Achira en todas las propiedades del
lodo. La mayor parte de controladores de filtrado
utilizados en fluidos de perforación base agua
logran su efectividad en una concentración entre
0,5 y 8lb/bb [3].
Las concentraciones utilizadas para el almidón
de achira variaron entre 0,5 - 7lb/bbl (0,001429-0,020g/cm3); adicionalmente se realizó un
seguimiento del comportamiento del volumen de
filtrado del lodo (ml) a 5,10, 20 y 30min.
Prueba de degradación. Se realizó la medición de las propiedades reológicas y de filtrado a un lodo base tratado con almidón de achira durante tres días continuos, para evaluar la consistencia en las propiedades medidas.
Prueba de pH. Esta prueba es el principal
indicador de la degradación del producto.
Se utilizó un pHmetro SensION1 (Hach Company);
de acuerdo a la especificaciones de la fábrica el
error es ± 0,01 pH. La medición del pH se realizó a
todos los lodos, buscando establecer la variabilidad
del mismo a las diferentes concentraciones de
almidón.
Pruebas de reología y densidad. Se realizaron pruebas de viscosidad plástica (Vp) en Cp, que evalúa el efecto del contenido de sólidos en la viscosidad; el punto de cedencia o yield point (Yp) en lbf/100pies2 (0,0489kg/m3), que determina la fuerzas electroquímicas del lodo en estado dinámico; la viscosidad aparente (Va) medida en Cp, que evalúa en conjunto los dos efectos mencionados anteriormente; el punto de gel (Gel) en lbf/100pies2, que representa el esfuerzo mínimo para poner en movimiento el fluido y determina la fuerzas electroquímicas del lodo en estado estático, se determina a 10s y 10min. Estas pruebas se realizaron en un viscosímetro rotacional de velocidad variable (1 a 600rpm) de referencia OFITE 900. La densidad se midió en la balanza de lodos.
En la Tabla 1 se presentan los resultados de la
prueba de degradación. Se preparó un lodo base
con 1,5lb/bb (0,0043kg/m3) de almidón de achira y
se midieron las propiedades durante tres días; se
observó que sólo se presenta variación en el gel
con el tiempo, lo cual se debe a la tixotropía del
lodo que causa gelificación con el tiempo cuando
está en reposo.
Para el análisis de resultados se utilizó un método
estadístico de varianza, ANOVA, a una vía de
clasificación y con un rango de confianza del 95%.
En la Tabla 2 se muestra la diferencia de la
pérdida de filtrado (ml) y porcentaje (%vol), del
lodo base I tratado con almidón de achira respecto
al lodo tratado con aditivo comercial de celulosa
polianiónica, los valores negativos indican mayor
eficiencia del producto comercial.
Al observar la diferencia para 30min en la Tabla 2, se encuentra un mejor comportamiento en
las pérdidas de filtrado en el lodo tratado con el
almidón de achira que con celulosa polianiónica
con resultados a favor de esta última a la
concentración inicial 0,5lb/bbl (0,001429g/cm3), a
concentraciones superiores el almidón de achira
muestra los mejores resultados y la celulosa
tiende a valores estables. Por este motivo sólo se
realizaron pruebas hasta una concentración de 4
lb/bb (0,011g/cm3).
En la Figura 1, se observa el comportamiento
de las pérdidas de filtrado a 30min (prueba
API) respecto a la concentración de la celulosa
polianiónica y almidón de achira. Comparando
a una concentración de 4lb/bbl (0,011g/cm3), la
pérdida de filtrado es menor en cerca del 24%
para el almidón de achira frente a la celulosa
polianiónica.
Al observar los resultados estadísticos
presentados en la Tabla 3, se encuentra que para
la celulosa polianiónica el factor de variación (1,5)
es inferior al factor de variación crítico (4,38), lo
cual corrobora que las pérdidas de filtrado tienden
a un valor estable a pesar del incremento en la
concentración de este producto en el fluido de
perforación. Un mayor valor del factor de variación
respecto al crítico para el almidón de achira
ratifica que la propiedad evaluada (pérdidas de
filtrado) cambia [9] (en este caso disminuye) por
el efecto de la concentración.
Estos resultados muestran que el almidón de
achira sirve como agente controlador de filtrado
para fluidos de perforación base agua.
Igualmente, se realizaron pruebas comparativas
entre un producto comercial a base de polisacáridos
y el almidón de achira. En la Tabla 4 se muestra la
diferencia en la pérdida de filtrado en mililitros (ml)
y porcentaje (%vol) del lodo base II más el aditivo
comercial a base de polisacárido preservado
respecto al que se le adicionó almidón de achira,
los valores negativos indican mayor eficiencia del
polisacárido.
En la Figura 2 se observa que la cantidad de
filtrado API (realizado a 30min) es menor, es decir
que causa un efecto positivo, cuando se utiliza
el almidón de achira como agente controlador
de filtrado a concentraciones entre 0,5 - 4lb/bb
(0,0014 - 0,011g/cm3).
La diferencia en la pérdida de filtrado obtenido
para las concentraciones a diferentes tiempos (5 a
30min), ratifica la eficiencia del almidón de achira
sin modificar [10], como agente controlador de
filtrado. En las pruebas de pérdidas de filtrado API
(30min) efectuadas entre las concentraciones de
0,5 y 3lb/bbl (0,0014 - 0,00425g/cm3) se presenta
una diferencia promedio de 11,5% a favor del
almidón de achira. A concentraciones entre 4 y
6 lb/bb no hay diferencia apreciable, pero a una
mayor concentración la tendencia es a favor del
almidón de achira.
En la Tabla 5 se presentan los resultados estadísticos en el que se observa que ambos productos (almidón y polisacárido) muestras disminución en las pérdidas de filtrado cuando se incrementa la concentración, lo cual se evidencia en los factores de variación superiores al crítico.
En términos generales se puede decir que la variación de las propiedades del lodo es mínima (Figura 3) con el incremento de la concentración de achira; en el caso de la viscosidad plástica (Vp) y viscosidad aparente (Va) tienen una leve variación a partir de la adición de 0,5lb/bbl (0,001429g/cm3) de almidón de achira de aproximadamente de 2 Cp, de esta concentración en adelante no hay efecto apreciable. Lo anterior corrobora que el almidón de achira no presenta efectos viscosificantes y su función principal es como agente controlador del filtrado del lodo. Al fluido de perforación se adicionan productos especiales para dar viscosidad, propiedad importante para la limpieza del hueco, pero se debe tener cuidado cuando se agreguen compuestos para otros propósitos a fin de evitar aumentos en la misma que ocasionen incrementos en las pérdidas de presión.
El almidón de achira funciona de manera
efectiva como agente controlador de filtrado
en concentraciones que van de 1-4lb/bbl
(0,0028 - 0,011g/cm3), con pérdidas de filtrado
en rangos comprendidos entre los 6,0 y 11,7ml,
presentando un comportamiento similar o mejor
comparado con los productos comerciales
utilizados en el presente trabajo de investigación.
A nivel de laboratorio el uso del almidón de Achira
como agente controlador de filtrado, proporciona
baja pérdida de filtrado hacia la formación y una
torta plástica consistente y de espesor menor
a un 1/32 de pulgada (0,012cm). Si se aplica en
campo, estas buenas propiedades de filtración
mostradas, pueden contribuir a la disminución
de problemas durante la perforación tales como
suabeo, presencia de secciones apretadas en
el pozo (reducción del hueco), pega de tubería,
hinchamiento de arcillas, inestabilidad del hueco y
daño a la formación.
El almidón de achira como agente controlador de
filtrado no presenta mayor incidencia sobre las
otras propiedades del lodo de perforación.
El almidón sin tratamiento previo ofrece
resistencia a agentes que degradan y modifican
las propiedades del lodo, aún sin la adición de
biocidas, manteniendo estable las propiedades del
lodo.
Los autores expresan sus agradecimientos a la Universidad Industrial de Santander, al Laboratorio de Lodos de la Escuela de Ingeniería de petróleos, al Ing. Oscar Fernando López, por la orientación y acompañamiento.
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