Caracterización de revoques

8/12/2019 Caracterizacin de revoques

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TTTRRRAAABBBAAAJJJOOOEEESSSPPPEEECCCIIIAAALLLDDDEEEGGGRRRAAADDDOOO

CCCAAARRRAAACCCTTTEEERRRIIIZZZAAACCCIIINNNDDDEEERRREEEVVVOOOQQQUUUEEESSSFFFOOORRRMMMAAADDDOOOSSSUUUTTTIIILLLIIIZZZAAANNNDDDOOO

MMMEEEZZZCCCLLLAAASSSMMMOOONNNOOOMMMOOODDDAAALLLEEESSSAAAMMMPPPLLLIIIAAASSS

TUTORES ACADMICOS: Prof. Leandro Lezama

Prof. Jos Sorrentino

Presentado ante la IlustreUniversidad Central deVenezuela para optar al Ttulo

de Ingeniero Qumicopor la Br. Silva Castillo Silvia

Caracas, Marzo 2001


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II

Silva C., Silvia M.

CARACTERIZACIN DE REVOQUES FORMADOS UTILIZANDO

MEZCLAS MONOMODALES AMPLIAS

Tutor Acadmico: Prof. Leandro Lezama, Prof. Jos Sorrentino. Tesis. Caracas,

U.C.V. Facultad de Ingeniera. Escuela de Ingeniera Qumica. Ao 2001, 153 p.

Palabras Claves: Revoque, Distribucin del tamao de partcula,

permeabilidad, porosidad, Ley de Darcy.

Resumen. Durante la operacin de perforacin de pozos en el proceso de produccin de

petrleo, se inyecta, a travs de la mecha o barrena un fluido de perforacin o lodo quedebe cumplir con la funcin de producir una capa delgada de slidos en las paredes del

yacimiento denominada revoque, la cual debe ser impermeable y formarse de la manera

ms rpida posible, de forma tal de impedir la penetracin excesiva de slidos y lquidos a

los poros de la filtracin.

El objetivo principal que se desarroll en este estudio fue la determinacin de las

caractersticas tales como la permeabilidad y porosidad de los revoques obtenidos mediante

la filtracin de lodos formulados con mezclas monomodales amplias de granulometra

controlada de carbonato de calcio Intecarb en sus diversos grados.

La formacin de los revoques se llev a cabo a un diferencial de presin de 500 psi y

una temperatura de aproximadamente 30C. A igual condiciones de T y P, se realiz la

permeacin de la torta obtenida con la finalidad de estimar su permeabilidad.

Se generaron un total de 7 mezclas a partir de las fracciones estrechas obtenidas de los

procesos de clasificacin centrfuga y tamizado va hmeda de los diversos grados del

carbonato Intecarb. Los revoques obtenidos a partir de estas mezclas se compararon en

trminos de su permeabilidad y porosidad en funcin del tamao D3,2, con los obtenidos a

partir de las bases provenientes del proceso de tamizado va seca.

La formacin del revoque se llev a cabo en una celda de filtracin de alta presin y

alta temperatura, en dos etapas claramente diferenciadas, una etapa inicial denominada

etapa incipiente y una final denominada etapa darcyana, ya que sigue la Ley de Darcy, los

datos de filtracin se presentan de manera lineal, tal como lo propone dicha teora de la


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III

filtracin. La segunda etapa ofrece una resistencia alrededor del 80% de la resistencia

global, mientras que la primera solo ofrece una resistencia del 20% sobre la global, por lo

que la etapa incipiente es mucho ms permeable que la etapa darcyana.

Los datos de filtracin se representaron en un grfico tiempo sobre volumen contratiempo, donde los valores de tiempo y volumen corresponden a los de la etapa darcyana,

para ello el punto origen en la curva t/V vs V se traslada horizontalmente la cantidad t0, y

verticalmente la cantidad V0, valores correspondientes al tiempo y volumen inicial de la

etapa darcyana, convirtindose en un grfico t/V vs V siendo t equivalente a t menos t0y

V a V menos V0, de tal manera que la nueva grfica generada es una lnea recta, cuya

pendiente est relacionada directamente con la permeabilidad en esa zona.

La porosidad se calcula a partir de la masa y la altura del revoque, pero este ltimo

parmetro introduce mucha incertidumbre, puesto que se emplea una altura promedio para

los clculos que se estima a partir de mediciones experimentales, las cuales que presentaron

coeficientes de variabilidad de hasta un 40%. Por lo tanto la porosidad calculada tambin

representa un promedio, por lo que dichos valores no deben ser tomados como fiables.

Debido a esto se recomienda aplicar mtodos adecuados para medir de manera reproducible

la altura del revoque.

Los revoques que presentaron las mejores caractersticas, fueron los obtenidos a partir

de las bases, generadas por el tamizado va seca, presentaron la menor prdida de volumen

de filtrado, el menor tiempo incipiente t0, la menor porosidad y permeabilidad. Los

revoques obtenidos mediante las fracciones estrechas presentaron un tiempo incipiente diez

veces mayor, reflejado en una prdida considerable de volumen de filtrado y altas

permeabilidades. Este comportamiento se puede adjudicar en parte al hecho de que las

mezclas diseadas no contenan tamaos menores a 1.3 m, puesto que se pierden durante

el proceso de clasificacin centrfuga. Estas partculas denominadas ultrafinos representan

la fraccin sellante en el proceso de formacin del revoque, de all la razn de la obtencinde tiempos incipientes tan largos, por lo tanto se recomienda la aplicacin de mtodos de

clasificacin apropiados para la obtencin de dichas fracciones.

Se recomienda realizar pruebas sobre ncleos porosos de manera de poder obtener

datos reproducibles sobre la etapa incipiente, de la cual todava existe gran incertidumbre.


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IV

ndice

Pgina

Lista de Figuras ........................................................................................................ VIII

Lista de Smbolos ..................................................................................................... XII

Lista de Tablas ......................................................................................................... XVI

1 Introduccin ..........................................................................................................1

2 Objetivos ...............................................................................................................3

3 Planteamiento del problema ..................................................................................4

4 Revisin Bibliogrfica ..........................................................................................5

4.1 Perforacin Petrolera ..................................................................................... 54.2 Lodos de perforacin .....................................................................................

84.2.1 Composicin de los lodos de perforacin ..............................................

94.2.2 Propiedades de los lodos de perforacin ...............................................

114.2.2.1 Densidad ........................................................................................

114.2.2.2 Reologa .........................................................................................

134.3 Formacin del revoque ..................................................................................

164.4 Dao a la formacin ......................................................................................

204.5 Fundamentos de filtracin .............................................................................22

4.5.1 Flujo de fluido a travs de un medio poroso .........................................23

4.5.2 Permeabilidad ........................................................................................25

4.5.3 Torta de Filtracin .................................................................................27

4.5.3.1 Masa de torta depositada por Unidad de rea y Resistencia

Especfica ...................................................................................................30

4.5.3.2 Concentracin de slidos ...............................................................31

4.5.4 Ecuacin fundamental de formacin de la torta .................................... 344.5.4.1 Filtracin a presin constante ........................................................

344.5.5 Efectos de la presin sobre el revoque ..................................................

364.5.6 Mtodos para la determinacin de la Resistencia Especfica ................

414.5.6.1 Mtodo de formacin de la torta ....................................................

414.5.6.1.1 Mtodo Lineal ......................................................................

42


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V

4.5.6.1.2 Mtodo Cuadrtico ..............................................................42

4.5.6.2 Mtodo de Permeacin de la torta .................................................42

4.6 Anlisis del tamao de partculas ..................................................................43

4.6.1 Descripcin del tamao de partcula ..................................................... 434.6.2 Medidas de tendencia central ................................................................

454.6.3 Mtodos de medicin del tamao de partculas .....................................

484.6.3.1 Tamizado .......................................................................................

494.6.3.2 Difraccin lser ..............................................................................

505 Antecedentes .........................................................................................................

516 Equipo Experimental .............................................................................................

576.1 Tamizador oscilatorio ...................................................................................

576.2 Clasificador Centrfugo ................................................................................

586.3 Tamizador vibratorio ..................................... ..............................................

596.4 Analizador de tamao de partculas. Mastersizer 2000 ................................

606.5 Medidor de pH .............................................................................................

616.6 Agitadores ....................................................................................................

626.7 Equipo de filtracin esttica: celda HPHT....................................................

636.8 Balanza con desecador infrarrojo .................................................................

656.9 Divisor de muestras PT 1000 ....................................................................... 666.10 Micrmetro .................................................................................................

677 Procedimiento Experimental ................................................................................

687.1 Tamizado va seca ........................................................................................

687.2 Clasificador centrfugo .................................................................................

687.3 Tamizado va hmeda ..................................................................................

707.4 Diseo y Simulacin de mezclas ..................................................................

71

7.5 Preparacin de mezclas ................................................................................ 717.6 Medicin de la distribucin del tamao de partcula ...................................

727.7 Preparacin del lodo de perforacin .............................................................

727.8 Resistencia del medio limpio .......................................................................

747.9 Filtracin del lodo ........................................................................................

757.10 Permeacin del revoque .............................................................................

76


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VI

7.11 Uso del desecador infrarrojo........................................................................76

8 Metodologa .........................................................................................................78

9 Plan de experiencias ............................................................................................80

10 Descripcin de Mezclas ..................................................................................... 8211 Anlisis de Datos ................................................................................................

8711.1 Distribucin del tamao de partcula de las mezclas diseadas ..................

8711.2 Volumen de filtrado .......................... .........................................................

8911.2.1 Volmenes de filtrado obtenidos para las bases y la mezcla 1 .........

8911.2.2 Volmenes de filtrado obtenido para las mezclas diseadas ............

9011.3 Altura del revoque ......................................................................................

9111.4 Masa del revoque ........................................................................................

9212 Discusin de Resultados .....................................................................................

9312.1 Comparacin de los revoques formados a partir de los lodos formulados

por las diferentes bases y la mezcla1.........................................................93

12.1.1 Porosidad global .............................................................................94

12.1.2 Permeabilidad global ......................................................................95

12.1.3 Movilidad de la etapa darcyana- Permeabilidad darcyana .............96

12.2 Comparacin de los revoques formados a partir de los lodos formulados

por las diferentes bases y sus respectivas mezclas reconstituidas ............. 10012.3 Comparacin de los revoques formados a partir de los lodos formulados

por las mezclas 5 a la 8 y la base 4 ............................................................107

12.4 Etapas de formacin del revoque ...............................................................108

12.5 Anlisis de la curva de filtrado ...................................................................112

12.6 Comparacin del rango de magnitud de la permeabilidad con el obtenido

mediante la ecuacin de Carman-Kozeny .................................................115

13 Conclusiones ...................................................................................................... 11614 Recomendaciones ..............................................................................................

11915 Bibliografa ........................................................................................................

120Apndices

A.1 Clculos tipos ....................................................................................................123

A.2 Distribucin del tamao de partcula de las mezclas .......................................139


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VII

A.3 Curvas de Filtracin .........................................................................................144

A.4 Alturas de los revoques ....................................................................................150

A.5 Masas obtenidas para los revoques ..................................................................152

A.6 Anlisis de sensibilidad de la porosidad .......................................................... 153


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VIII

L ista de F igur as

Figura Pgina

4.1 Equipo de perforacin Rotatoria ...................................................................7

4.2 Recorrido del lodo de perforacin .................................................................8

4.3 Goma Xhantana ..............................................................................................12

4.4 Tipos de fluidos .............................................................................................15

4.5 Reograma de un lodo de perforacin ............................................................16

4.6 Filtracin del lodo a travs de la formacin ..................................................17

4.7 Daos a la formacin .....................................................................................21

4.8 Pegado Diferencial ........................................................................................ 224.9 Diagrama esquemtico de un medio poroso ..................................................

234.10 Relacin proporcional entre la cada de presin y la tasa de flujo a travs

del medio poroso estable ...............................................................................24

4.11 Ilustracin esquemtica del medio filtrante y el revoque ..............................27

4.12 Decaimiento de la tasa de filtrado a presin constante .................................29

4.13 Relacin proporcional entre el revoque y el volumen de filtrado .................30

4.14 Resistencia Especfica ................................................................................... 324.15a Grfica de la ley modificada de proporcin parablica para mostrar el

efecto de las tortas incompresibles ................................................................37

4.15b Grfica de la ley modificada de proporcin parablica para mostrar el

efecto de las tortas compresibles ...................................................................37

4.16 Grfica de la ley modificada de proporcin parablica mostrando la

intercepcin negativa para una torta compresible .........................................38

4.17 Variacin logartmica de la resistencia especfica con la presin .................40

4.18 La Moda, la Mediana y la Media de una distribucin de tamao .................46

4.19 Curva de distribucin de frecuencias acumuladas ........................................47

4.20 Comparacin entre las medidas de tendencia central ....................................49

6.1 Tamizador oscilatorio. Tamizado va seca ....................................................57

6.2 Clasificador centrfugo ..................................................................................58


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IX

6.3 Tamizador vibratorio. Tamizado va hmeda ...............................................60

6.4 Mastersizer 2000 ..........................................................................................61

6.5 Medidor de pH ...............................................................................................62

6.6a Agitador de alta revolucin ............................................................................ 636.6b Agitadores de baja revolucin ........................................................................

636.7 Equipo de filtracin esttica ...........................................................................

646.8 Celda HPHT ...................................................................................................

656.9 Balanza con desecador infrarrojo ...................................................................

666.10 Divisor de muestras ........................................................................................

677.1 Curva de calibracin del clasificador centrfugo ...........................................

7010.1 Distribucin del tamao de partculas para las bases .....................................

8310.2 Distribucin del tamao de partculas (DTP) para las fracciones estrechas ..

8310.3 DTP de las bases y sus mezclas reconstituidas ..............................................

8410.4 Zoom de las DTP de las bases y sus mezclas reconstituidas .........................

8510.5 DTP de las mezclas 5, 6, 7 y 8 .......................................................................

8511.1 Comparacin de la DTP obtenida de las mezclas diseadas y las arrojadas

por Mastersizer 2000, a) mezclas 2, 4, 7 y 8, b) mezclas 3, 5 y 6 ................88

11.2 Distribucin del tamao de partcula en funcin de la densidad de

frecuencias ..................................................................................................... 8812.1 Influencia del tamao D3,2 en la porosidad del revoque para las bases y la

mezcla1 ..........................................................................................................94

12.2 Influencia del tamao D3,2en la porosidad del revoque para las bases y la

mezcla1. Correccin de desviaciones ............................................................95

12.3 Influencia del tamao D3,2en la permeabilidad del revoque para las bases y

la mezcla1 ......................................................................................................96

12.4 Influencia del tamao D3,2en la movilidad del revoque para las bases y lamezcla1 ..........................................................................................................

9712.5 Influencia del tamao D3,2en la permeabilidad de la etapa darcyana del

revoque para las bases y la mezcla1 ...............................................................98

12.6 Influencia del tamao D3,2en el producto permeabilidad-solidosidad

de la etapa darcyana del revoque para las bases y la mezcla1 ......................99


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X

12.7 Influencia del tamao D3,2en las caractersticas del revoque formado

a partir de las bases y la mezcla 1...................................................................100

12.8 Volumen de filtrado a los treinta minutos para la mezcla 1 y la mezcla 2 ....101

12.9 Influencia del tamao D3,2en las caractersticas del revoque formadoa partir de la mezcla 1 y mezcla 2 ..................................................................

10212.10 Volumen de filtrado a los treinta minutos para la base 3 y la mezcla 3 .........


a partir de la Base 3 y la mezcla 3 ..................................................................103

12.12 Volumen de filtrado a los treinta minutos para la base 4 y la mezcla 4 .........104


a partir de la base 4 y la mezcla 4 ..................................................................104

12.14 Influencia del tamao D3,2en las caractersticas de los revoques formados

a partir de las mezclas 2, 3 y 4 .......................................................................106

12.15 Influencia del tamao D3,2en las caractersticas de los revoques formados

a partir de las mezclas 5, 6, 7 y 8 ...................................................................107

12.16 Influencia del tamao D3,2en la porosidad del revoque incipiente formado

a partir de las mezclas preparadas con las fracciones estrechas ....................109

12.17 Influencia del tamao D3,2en la permeabilidad del revoque incipiente

formado a partir de las mezclas preparadas con las fracciones estrechas ...... 10912.18 Influencia del tamao D3,2en el producto permeabilidad-porosidad de la

etapa incipiente del revoque formado a partir de las mezclas preparadas

con las fracciones estrechas ...........................................................................109

12.19 Contribucin porcentual de la etapa incipiente a la resistencia global y a la

cantidad de revoque formado, a) para las bases y la mezcla 1, b) para las

mezclas 2 a la 8 ..............................................................................................110

12.20 Contribucin porcentual de la zona darcyana a la resistencia global ya la cantidad de revoque formado, a) para las bases y la mezcla 1, b) para

las mezclas 2 a la 8 ........................................................................................ 11112.21 Curvas de filtracin obtenidas para la base 4 .................................................

11312.22 Curvas de filtracin para la base 4, transformadas segn ecuacin 4.27 .......

11312.23 Curvas de filtracin para la base 4, transformadas segn t0, V0 ..................... 114


11/169

XI

A.1.1 Grfica V vs t .................................................................................................123

A.1.2 Permeacin del medio filtrante ......................................................................124

A.1.3 Grfico t/V vs V..........................................................................................127

A.1.4 Grfico V vs t para el proceso de permeacin del revoque ........................... 128A.1.5 Variacin del factor de correccin con la solidosidad (S) ......................... 134A.3.1 Curvas de filtracin para la Base 1 ................................................................

144A.3.2 Curvas de filtracin para la Base 2 ................................................................

144A.3.3 Curvas de filtracin para la Base 3................................................................

145A.3.4 Curvas de filtracin para la Base 4................................................................

145A.3.5 Curvas de filtracin para la Mezcla 1.............................................................

146

A.3.6 Curvas de filtracin para la Mezcla 2............................................................. 146A.3.7 Curvas de filtracin para la Mezcla 3.............................................................






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XII

L ista de Smbolos

Smbolo

A rea transversal del lecho (L2)

a Pendiente de la curva t/V vs V (/L6)

a Pendiente de la curva t/V vs V (/L6)

b Punto de corte en la grfica t/V vs V (/L3)

b Punto de corte en la grfica t/V vs V (/L6)

Cav Concentracin promedio (M/L3)

Cwv Concentracin de masa de slidos por unidad de volumen (M/L3)

C0 Constante emprica de la ecuacin 4.39 (Adim)

CV Coeficiente de variabilidad (%)

D3,2 Tamao promedio (L)

dV/dy Velocidad de deformacin (-1)

hc Altura de la torta (L)

K Permeabilidad (L2)

k Parmetro de la ecuacin de potencias (M/L), ecuacin 4.3

KD Permeabilidad darcyana (L2)KI Permeabilidad incipiente (L

2)

Kg Permeabilidad global (L2)

Km Permeabilidad del medio filtrante (L2)

M Masa del filtrado (M)

m Proporcin de humedad de la torta (Adim)

MLS Masa de lquido en la suspensin original (M)

mCD Masa de revoque depositado en la etapa darcyana por unidad de rea (M/L2)

mCI Masa de revoque depositado en la etapa incipiente por unidad de rea (M/L2)

mCG Masa de revoque por unidad de rea (M/L2)

mS Masa de slidos secos en la torta por unidad de rea (M/L2)

MR Masa del revoque (M)

MS Masa de slidos secos en la torta (M)


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XIII

MSS Masa de slidos en la suspensin original (M)

n Parmetro de la ecuacin 4.3 (Adim)

n Constante emprica de la ecuacin 4.38 (Adim)

n Constante caracterstica del material (Adim), ecuacin 4.59P0 Constante emprica ecuacin 4.38 y 4.39 (M/L2)

p Cada de presin (M/L2)

pc Cada de presin a travs de la torta (M/L2)

pm Cada de presin a travs del medio filtrante (M/L2)

Q Caudal de liquido (L3)

q Velocidad de flujo instantnea (L3/)

q0 Velocidad de flujo instantnea inicial (L3/)qa Caudal de agua (L/)

qg Caudal de goma Santana (L/)

r Parmetro de la ecuacin 4.61 (Adim)

rc Resistencia especfica de la torta (L-2)

RCD Resistencia de la zona darcyana (L-1)

RCI Resistencia de la zona incipiente (L-1)

RCG Resistencia global (L-1

)RM Resistencia del medio filtrante (L

-1)

s Fraccin msica de slidos (Adim)

s Parmetro de la ecuacin 4.61 (Adim)

Sv rea de superficie especfica por unidad de volumen (L2/L3)

t Tiempo ()

U Velocidad superficial (L/)

u Constante emprica de la ecuacin 4.39 (Adim)

U0 Velocidad superficial inicial (L/)

V Volumen de filtrado en la etapa darcyana (L3)

V0 Volumen final de la etapa incipiente (L3)

VL Volumen de filtrado (L3)


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XIV

VSS Volumen de slidos en la suspensin original (L3)

VS Volumen de la suspensin (L3)

x Tamao de partcula (L)

xA Dimetro de tamiz (L)xa Dimetro de rea proyectada (L)

ax Media aritmtica (L)

xc Dimetro perimetral (L)

cx Media cuadrtica (L)

xCH Dimetro de mximo contorno (L)

xd Dimetro de arrastre (L)

xF Dimetro de Ferets (L)xf Dimetro de cada libre (L)

gx Media geomtrica (L)

hx Media armnica (L)

xM Dimetro de Martn (L)

xp Dimetro de rea proyectada (L)

qx Media cuadrtica (L)

xs Dimetro superficial (L)xSH Dimetro de corte (L)

xSt Dimetro de Stokes (L)

xsv Dimetro de superficie-volumen (L)

xv Dimetro volumtrico (L)

y Masa de slidos en la suspensin original entre la masa total de lquido (Adim)

z Log(x) (L)

z Media aritmtica de logx (L)

Smbolos griegos

0 Constante emprica ecuacin 4.38 (L-1/M)

av Resistencia especfica promedio de la torta (L-1/M)

C Resistencia especfica de la torta (L-1/M)


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XV

CD Resistencia especfica del revoque incipiente (L-1/M)

CI Resistencia especfica del revoque darcyano (L-1/M)

CG Resistencia especfica global (L-1/M)

Porosidad de la torta (Adim)

S Solidosidad de la torta (Adim)

S Concentracin de slidos en la suspensin original (Adim)

Viscosidad aparente (M/L)

Parmetro asociado a la torta y al filtrado (Adim)

Relacin entre la densidad del lquido y la densidad del slido (Adim)

Viscosidad (M/L)

Densidad del lquido (M/L3)

s Densidad del slido (M/L3)

Desviacin estndar (Adim)

z Desviacin estndar de log x (Adim)

Esfuerzo cortante (M/L2)

0 Esfuerzo mnimo cortante (M/L2)

Masa de torta seca por unidad de volumen de filtrado (M/L3)

Factor de correccin en la Figura A.1.5 (Adim)


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XVI

L ista de Tablas

Tabla Pgina

4.1 Lista de definiciones de dimetros de esferas equivalentes .......................... 44

4.2 Lista de dimetros de circulo equivalente ..................................................... 45

4.3 Lista de dimetros estadsticos ...................................................................... 45

4.4 Tipos de medias ............................................................................................ 48

10.1 Fracciones estrechas....................................................................................... 82

10.2 Composicin de las mezclas diseadas a partir de las fracciones estrechas.. 86

11.1 Volmenes de filtrado obtenidos para las filtraciones de las bases y la

mezcla 1 ......................................................................................................... 9011.2 Volumen de filtrado obtenido para las mezclas diseadas a partir de las

fracciones estrechas ....................................................................................... 91

12.1 Coeficientes de variabilidad para las tres formas de representar la filtracin 114

A.2.1 Distribucin de tamaos de partculas para las mezclas ............................... 139

A.4.1 Altura de los revoques obtenidos con las bases ............................................ 150

A.4.2 Altura de los revoques obtenidos con las mezclas ........................................ 151

A.5.1 Masas de los revoques obtenidos .................................................................. 152

A.6.1 Sensibilidad de las porosidad a la altura y masa del revoque ....................... 153


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1

1. Introduccin

La etapa de perforacin petrolera es determinante en el grado de productividad de unpozo, puesto que durante esta etapa la formacin est expuesta a sufrir daos, los cuales

reducen significativamente la capacidad de produccin.

Un fluido de perforacin o lodo es una mezcla de slidos, lquidos y aditivos de

cuya preparacin y mantenimiento dependen el xito, la rapidez y seguridad del pozo que

se perfora.

Durante la perforacin de los pozos petroleros es necesario garantizar que el

yacimiento no es invadido en exceso por parte de los lquidos y slidos presentes en el

fluido de perforacin. Para ello, se promueve la formacin de una capa delgada de material

sobre las paredes del yacimiento, denominada revoque.

El revoque se forma por depsito de una torta de slidos por filtracin: en virtud del

diferencial de presin existente, los slidos y lquidos son forzados en la direccin radial

del sector del pozo recin perforado, lquido y parte de los slidos invaden la formacinhasta que la torta (revoque) formada es capaz de producir un sello. Los slidos y lquidos

que han invadido el reservorio son uno de los tipos posibles de dao a la formacin. La

presencia de slidos y lquidos en los poros del yacimiento afecta negativamente la

productividad del pozo en su etapa productora, por lo que se pretende reducir dicha

invasin minimizando la permeabilidad del revoque sin enviar una cantidad excesiva de

material fino al interior de los poros.

La adicin de material slido al fluido de perforacin, constituye una de las maneras

ms utilizadas para minimizar el dao a la formacin. La adecuada caracterizacin del

revoque y la vinculacin de sus caractersticas con variables de diseo del fluido de

perforacin (como lo es la granulometra de dichos slidos sellantes) y con las

caractersticas del yacimiento (como permeabilidad y distribucin de tamao de poros y


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2

gargantas), permitira el uso del fluido adecuado a cada yacimiento, lo cual puede aumentar

su productividad en la etapa de produccin.

A fin de determinar la influencia que tiene la distribucin de tamao de partculas delos slidos sellantes aadidos al fluido de perforacin sobre las caractersticas del revoque

formado, el Laboratorio de Separaciones Mecnicas (LSM) de la Escuela de Ingeniera

Qumica ha recibido el respaldo de la Comisin Nacional de Investigaciones Petroleras

(CONIPET) para llevar a cabo el Proyecto 97003754, del cual forma parte este Trabajo

Especial de Grado.


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3

2. Objetivos

2.1 Objetivo general

2.1.1 Determinar las caractersticas de revoques formados con lodos cuyo

material sellante lo constituyen mezclas monomodales amplias de

granulometra controlada, preparadas a partir del carbonato de calcio

Intecarb en sus diversos grados.

2.2 Objetivos especficos

2.2.1 Clasificar el carbonato Intecarb mediante tamizado y aeroclasificacin

centrfuga, a fin de obtener fracciones estrechas para la preparacin de

mezclas con tamao de partculas controlado.

2.2.2 Preparar fluidos de perforacin de manera reproducible, controlando las

principales variables de formulacin.

2.2.3 Comparar la filtracin de los lodos preparados sobre papel de filtro, con laobtenida sobre membranas utilizando celdas HPHT (High Pressure-High

Temperature) para formar los revoques a analizar.

2.2.4 Caracterizar los revoques mediante la determinacin de su permeabilidad y

su porosidad.

2.2.5 Definir, simular y preparar mezclas monomodales de carbonato de calcio de

diferentes caractersticas, tomando como base combinacin de los

carbonatos Intecarb 10-15, 20-25, 30-35 y 40-45.


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4

3. Planteamiento del Problema

La formacin del revoque en las paredes de un yacimiento ocurre mediante un

mecanismo de filtracin basado principalmente en la ley de Darcy, donde el medio filtrante

lo constituye el yacimiento y la torta que va creciendo es el revoque.

El LSM-UCV ha desarrollado varios trabajos sobre la influencia de la distribucin de

tamao de partculas sobre la permeabilidad de carbonato de calcio en agua y sobre la

formacin y caracterizacin de revoques de carbonato de calcio en goma Xhantana.

En ellos se ha mostrado que el uso del tamao promedio D3,2 y de cierta informacin

sobre la forma de las partculas permiten predicciones razonables de la permeabilidad de la

torta. Sin embargo, dicha capacidad de prediccin no ha sido lograda an en el caso de

revoques, debido principalmente a la presencia de aditivos viscosificantes que estn

presentes en los lodos de perforacin y que afectan la estructura de la torta. Tambin se ha

establecido, que los diferentes principios de medicin utilizados para determinar el tamao

de las partculas conducen a tamaos promedios diferentes, por lo que debe tenerse

precaucin al correlacionar resultados con el tamao promedio.

Recientemente se ha planteado(24,25) que la caracterizacin de los revoques debe

hacerse mediante el concepto de la doble permeabilidad, lo que ha implicado la

incorporacin de varios elementos nuevos en la filtracin de lodos de perforacin, que se

implementarn en este trabajo para lograr una mejor caracterizacin de la influencia de la

distribucin de tamao de partculas sobre las caractersticas del revoque.

Se pretende con este trabajo obtener informacin sobre las variaciones de

permeabilidad y porosidad del revoque formado sobre papel de filtro y sobre membranas,

cuando se modifica la distribucin de tamaos de las partculas aadidas al lodo como

sustancia sellante. Esta informacin servir de base para la realizacin (posteriormente

como continuacin del proyecto) de pruebas de formacin de revoques sobre discos

porosos que simulen el yacimiento.


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5

4. Revisin B ibl iogrf ica

4.1 Perforacin Petrolera

El petrleo se encuentra alojado en los espacios porosos de las rocas sedimentarias.

En algunos tipos especiales de rocas, como las areniscas y las piedras calizas, los espacios

porosos son numerosos y estn interconectados entre s, por lo que se dice que la roca es

porosa y permeable; este conjunto de rocas recibe el nombre de reservorio, formacin o

yacimiento. Aunque se ha encontrado petrleo cerca de rocas sedimentarias, las cantidades

acumuladas en los yacimientos en forma de trampas subterrneas son las que se explotan

comercialmente. (1)

En una formacin porosa, la presin de los fluidos (petrleo, agua o gas) que ocupan

el espacio de los poros, no depende nicamente de la densidad de los mismos y de la

profundidad en la formacin, sino tambin de las condiciones geolgicas de la misma

formacin.

Dos tipos de condiciones geolgicas afectan la presin de los fluidos en el poro

(tambin llamada presin de poro). En las formaciones presurizadas, normalmente, la

presin de poro a una profundidad determinada es consecuencia nicamente del peso del

fluido que se encuentra por arriba, por lo que depende solamente de la densidad del fluido y

de la profundidad; la estructura que conforman las partculas slidas de la formacin se

soporta por ella misma. En cambio, existen formaciones que no estn completamente

compactadas en una estructura que se soporte por ella misma, por lo que la presin de poro

a una profundidad determinada debe ser tal que sea capaz de sostener el peso de alguna

parte o de todo el sedimento superior, as como tambin soportar el peso del fluido que se

encuentra por arriba en la formacin. Este tipo de formaciones geolgicas se dice que son

presurizadas anormalmente y se conocen con el nombre de formaciones geopresurizadas. (2)

La operacin de perforacin se lleva a cabo una vez que los gelogos y geofsicos

consideran la formacin como un sitio favorable para una acumulacin de petrleo o


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6

yacimiento.

La Figura 4.1 muestra las partes principales de un equipo de perforacin rotatoria. La

pieza principal del equipo de perforacin rotatoria es la barrena o mecha, que tiene comofuncin crear el hoyo mediante el fraccionamiento de la roca que se encuentra en el fondo.

La barrena es de acero cortante y se encuentra enroscada en el extremo inferior de una

columna rgida de tubos de acero, cuya longitud se aumenta aadiendo nuevos tubos al

extremo superior a medida que se profundiza el pozo. La rotacin se suministra en la parte

superior de la tubera, girando la columna de tubos en cuyo extremo inferior se encuentra la

barrena que perfora a travs de la tierra. A los trozos de roca de la formacin cortados por

la barrena se les llama ripio.

El equipo rotatorio que perfora la formacin est constituido por una mesa rotatoria,

un cuadrante (Kelly), la tubera de perforacin cuyos tubos individuales son ms o menos

de nueve metros cada uno, los lastra-barreras (barras), que son unos tubos pesados y

bastante gruesos cuyo objetivo es mantener la tubera recta, y, por ltimo, la barrena.

Al mismo tiempo que se perfora, se inyecta a altas presiones por el interior de los

tubos un lquido denominado lodo o fluido de perforacin, el cual sale por unos agujeros

que tiene la barrena y sube por el espacio anular que hay entre el hoyo y la tubera de

perforacin. Este lodo se emplea para remover los recortes (ripio) del hoyo, enfriar la

barrena, prevenir que los fluidos entren a la formacin a travs de la pared del hoyo y evitar

que las paredes del hoyo se derrumben. En la superficie, el lodo y el ripio fluyen hacia una

serie de equipos que permiten la separacin de los mismos, para luego ser nuevamente

inyectado a la tubera de perforacin para reiniciar el ciclo. El recorrido del lodo de

perforacin se muestra en la Figura 4.2.(1, 3)


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7

Figura 4.1Equipo de perforacin Rotatoria (1)


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Figura 4.2 Recorrido del lodo de perforacin(1)

4.2 Lodos de perforacin

Un fluido de perforacin o lodo es una mezcla de sustancias qumicas en

proporciones estudiadas y de cuya preparacin y mantenimiento depende el xito, la

rapidez y seguridad del pozo que se perfora.

Entre las funciones ms importantes del lodo de perforacin se pueden mencionar las

siguientes(1,3):

Remover y transportar el ripio del fondo del pozo hacia la superficie.

Enfriar y lubricar la barrena y la sarta de perforacin.

Cubrir la pared del hoyo con un revoque liso, delgado, flexible e impermeable. Controlar las presiones de las formaciones.

Mantener en suspensin el ripio y el material que le imparte peso al lodo, cuando

se interrumpe la circulacin.

Soportar, por flotacin, parte del peso de la sarta de perforacin y de las tuberas

de revestimiento durante su insercin en el hoyo.


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Mantener en su sitio y estabilizada la pared del hoyo, evitando derrumbes.

Facilitar la realizacin de pruebas para la obtencin de informacin acerca de las

formaciones perforadas como son, por ejemplo, los registros electrogrficos de las

paredes del pozo, por medio de una sonda elctrica que se hace bajar por dentro dellodo.

El lodo de perforacin debe cumplir stas y otras funciones sin lastimar al

personal de perforacin o contaminar al medio ambiente y, en especial, sin interferir

con la productividad normal de la formacin.

4.2.1 Composicin de los lodos de perforacin

Un lodo de perforacin consiste en un fluido en el que se encuentran suspendidos

slidos y a veces lquidos y gases. Al lquido dispersante se le llama fase continua (o

externa) del lodo y a las partculas slidas suspendidas y/o gotitas de fluido, se les

denomina fase discontinua (o interna) del lodo. La composicin de un lodo de perforacin

en particular depende de los requerimientos de las operaciones de perforacin que se vayan

a ejecutar con dicho lodo. El hoyo debe ser perforado a travs de diferentes tipos de

formaciones que requieren diferentes tipos de fluidos de perforacin (3,4).

Los componentes bsicos de un lodo de perforacin son:

La base lquida.

Los slidos reactivos.

Los slidos inertes.

Aditivos qumicos.

La base lquida puede ser agua o aceite, y ste es el origen de la denominacin lodobase agua o lodo base aceite. Existen lodos formados por una emulsin agua-aceite; cuando

la fase continua es el agua se consideran como lodos base agua y cuando la fase continua es

el aceite se consideran como lodos base aceite. Tambin existen lodos gaseosos, donde el

ripio es removido por una corriente de aire o gas natural de alta velocidad.


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La fase continua de un lodo base agua contiene sales disueltas (Na+, Ca2+). Si la

concentracin de estos iones en el lodo es alta, se inhibe la hidratacin de las arcillas. La

concentracin de OH- en la fase continua del lodo afecta su alcalinidad y pH. El control

ptimo del pH en los lodos de perforacin es importante desde el punto de vista de detectary tratar ciertos contaminantes que puedan estar presentes en el lodo, por lo tanto, el pH

debe estar ajustado a determinado valor, el cual depende del tipo de lodo. Por ejemplo, para

lodos base agua que contienen bentonita, el pH se debe encontrar entre 8 y 9, y cuando el

lodo se contamina con cemento el pH puede aumentar hasta un valor 10 y 11.

La fase discontinua consiste en partculas slidas y/o gotas de fluido suspendidas en

la fase continua o lquida. Las gotas de aceite en un lodo base agua dan viscosidad al lodo y

reducen la densidad. El aceite puede entrar a formar parte del lodo a partir de las

formaciones perforadas o se puede agregar como un liquido lubricante o reductor de

filtrado.

Los slidos reactivos (a veces denominados fraccin coloidal) de un lodo consisten

en pequeas partculas slidas reactivas. Estos slidos, por lo general arcillas comerciales,

arcillas hidratables y lutitas provenientes de la formacin perforada, se hidratan y retienen

al lquido de la fase continua del lodo. Estos slidos son qumicamente reactivos, lo que

permite el control de las propiedades del lodo (principalmente viscosidad y caractersticas

de filtracin) por medio de la adicin de diversos aditivos qumicos. Por lo tanto, este tipo

de slidos es sometido a tratamientos qumicos para controlar las propiedades de los lodos.

En lodos base agua, el agua retenida por las partculas de arcillas empieza a formar parte de

la fase discontinua del lodo, y es responsable de la efectividad de las arcillas como agentes

viscosificantes.(3)

Los otros slidos en el lodo (barita, piedra caliza, dolomita, arena, sedimentos y

otros), son relativamente inertes o no reactivos. La velocidad de penetracin y la estabilidad

de un lodo tiende a disminuir mientras el porcentaje de slidos (en volumen) aumenta.

Los agentes densificantes (barita, carbonato de calcio) se agregan para incrementar la


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densidad del lodo, que ayuda a controlar la presin de formacin y crear el revoque en la

pared.

Los agentes viscosificantes (arcillas, polmeros y lquidos emulsificados) se agreganpara dar viscosidad al lodo, lo que aumenta su habilidad para limpiar el hoyo. Los

dispersantes y defloculantes se pueden agregar para desplazar el sistema, lo que ayuda a

reducir la surgencia, el pistoneo y problemas de presin circulante. Las arcillas, polmeros,

almidn, dispersantes y materiales asflticos pueden agregarse para reducir la filtracin del

lodo a travs de la pared del hoyo.(3)

Cuando se agrega un polmero en un disolvente la solucin se hace muy viscosa. La

forma y tamao de la molcula de polmero afecta la viscosidad, logrando el aumento de la

misma a medida que la molcula es ms grande y cuanto menos ramificaciones posea el

polmero. Un ejemplo de los polmeros utilizados es la goma xhantana (Xanthomas

campestis), generada por microorganismos en carbohidratos. Estos polmeros son de

extrema complejidad y de muy alto peso molecular(2). El peso molecular de la goma

xhantana se estima entre 2 y 50 millones, y su estructura aproximada es la que se muestra

en la Figura 4.3.

4.2.2 Propiedades de los lodos de perforacin

Varias son las propiedades fsico-qumicas de inters de los fluidos de perforacin.

Entre las propiedades ms importantes se encuentra la densidad, las caractersticas

reolgicas (viscosidad plstica, punto cedente y punto de gelatinizacin), contenido de

arena, contenido de slidos y lquidos, pH, as como las propiedades de filtracin (prdida

de filtrado, espesor del revoque y anlisis qumico de filtrado).(5)

4.2.2.1 Densidad

La presin ejercida por una columna de lodo esttica depende tanto de la densidad del

lodo como de la profundidad del hoyo. Para prevenir la afluencia de los fluidos de la


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formacin y para formar un revoque delgado y de baja permeabilidad que cubra las paredes

del hoyo, la presin de la columna de lodo debe exceder a la presin de poro (aquella

presin ejercida por los fluidos que se encuentran en los poros de la formacin) por lo

menos en 200 psi. Adems de controlar a los fluidos de la formacin, la presin de lacolumna de lodo ayuda a mantener la estabilidad del hoyo. En caso de formaciones

plsticas, tales como rocas de sal y arcillas no consolidadas, la presin del lodo es crucial.

Figura 4.3Goma Xhantana(6)

El incremento de la densidad del lodo aumenta el efecto boyante que ejerce sobre el

ripio, ayudando al transporte de los mismos a travs del espacio anular, pero retardando el

asentamiento en la superficie. Muy raramente se justifica un incremento de la densidad del

lodo como un medio para mejorar la capacidad de transporte o acarreo del ripio. (3)

Para incrementar la seguridad en el pozo, existe una tendencia natural de llevar ladensidad del lodo a un valor bastante superior, por encima del que realmente es necesario

para controlar los fluidos de la formacin, pero esta poltica tiene serias desventajas. En

primer lugar, una densidad excesiva del lodo puede incrementar la presin sobre las paredes

del hoyo en tal magnitud, que ste cede por la tensin. Este dao en el hoyo se denomina

fractura inducida.(2)


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Otra desventaja de una densidad excesiva del lodo es su influencia en la velocidad de

perforacin. Experimentos de laboratorio y experiencia en campo han mostrado que la

velocidad de penetracin se reduce por la presin de sobrebalance del lodo (el diferencial

entre la presin del lodo y la presin del poro cuando se taladra en rocas permeables) y porla presin absoluta de la columna de lodo cuando se taladran rocas de muy baja

permeabilidad. Una elevada presin de sobrebalance tambin incrementa el riesgo de

pegado del tubo de perforacin(3). Por ltimo, una densidad excesiva del lodo tiene la

desventaja de incrementar, en forma innecesaria, el costo del lodo.

4.2.2.2 Reologa

La reologa es un trmino amplio, que denota el estudio de la deformacin de losmateriales, incluyendo los fluidos. Las propiedades reolgicas de los lodos de perforacin

juegan un papel vital en la operacin de perforacin. Estas propiedades son las principales

responsables de la capacidad del lodo para remover el ripio, pero tambin influencian el

progreso de la perforacin en muchos otros aspectos.

La ley de Newton para la viscosidad relaciona el esfuerzo cortante () aplicado con la

velocidad de deformacin, dv/dy:

dy

dv= (4.1)

Esta relacin no es vlida para todos los fluidos, por lo tanto, los fluidos se clasifican

en newtonianos y no newtonianos, dependiendo de la relacin entre el esfuerzo cortante y

la velocidad de deformacin (dv/dy). Los fluidos newtonianos cumplen con la ley de

Newton de la viscosidad, por lo que la relacin es lineal(7) , y al graficar frente a dv/dy se

obtiene una recta que pasa por el origen de coordenadas, cuya pendiente es la viscosidad

del fluido a una cierta temperatura y presin.

Para los fluidos no newtonianos, la relacin entre la velocidad de deformacin y el

esfuerzo de corte viene dada por una variable conocida como viscosidad aparente (), la

cual es funcin de dv/dyy se define como el cociente entre el esfuerzo de corte y la tasa de


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corte, y representa la pendiente de la recta que se traza entre un punto de la curva y el

origen. La viscosidad aparente vara con el esfuerzo de corte y/o con la tasa de corte para

fluidos no-newtonianos.

dydv= (4.2)

cuando disminuye al aumentar el gradiente de velocidad (dv/dy), el fluido se denomina

pseudoplstico; mientras que cuando aumenta con dicho gradiente se denomina dilatante.

Si resulta ser independiente del gradiente de velocidad, el fluido se comporta como

newtoniano, y entonces = .

Esta relacin se representa por la ley de potencias:

n

dy

dvk

= (4.3)

donde k y n son parmetros de la ecuacin de potencia. El valor de n define el tipo de

fluido: si n > 1, el fluido es dilatante, si n < 1, es pseudoplstico, mientras que si n = 1, el

fluido es newtoniano.

Se han propuesto otras ecuaciones empricas o modelos para expresar la relacin que

existe, en estado estacionario, entre y dv/dy. Uno de los modelos ms representativos es el

modelo de plstico de Bingham, el cual se representa mediante las siguientes ecuaciones:

0 +=dy

dv 0>si 00


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En la Figura 4.4 se puede observar los comportamientos de las diferentes tipos de

sustancias antes descritas.

Figura 4.4Tipos de fluidos(8)

Un fluido de perforacin se comporta como un cuasi plstico de Bingham, como se

puede observar en la Figura 4.5. Se observa que existe un esfuerzo cortante, donde el lodo

se comporta como un fluido pseudoplstico en la regin donde la velocidad de corte es muy

pequea. Luego, la velocidad aumenta y la curva se comporta como una lnea recta. En esta

regin, se puede decir que el lodo se comporta como un plstico de Bingham, para efectos

de simplicidad, si se extrapola la lnea recta hasta interceptarla con el eje de las

ordenadas.(8)

La viscosidad plstica y el punto cedente se pueden determinar midiendo el esfuerzo

cortante a diferentes velocidades de deformacin o en distintas zonas de la curva, como se

muestra en la Figura 4.5. La pendiente de la porcin de lnea recta de la curva de esfuerzo

cortante, representa la viscosidad plstica. sta es una medida de la resistencia a fluir

causada por la accin de corte del mismo lquido, la friccin mecnica entre los slidos y el

lodo, y la friccin mecnica entre los slidos y el lquido que los rodea.(5)

El punto cedente es el valor que se obtiene al interceptar la curva con el eje de las

ordenadas, como se observa en la Figura 4.5. El punto cedente es un indicador de la fuerza

de atraccin entre partculas y fluido mientras el lodo est en movimiento. Este representa

la fuerza que permite llevar el ripio fuera del hoyo. Tanto la viscosidad plstica como el

punto cedente son propiedades del lodo cuando est en movimiento.


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Figura 4.5Reograma de un lodo de perforacin(8)

La mayora de los lodos de perforacin exhiben un comportamiento intermedio entre

el modelo del plstico de Bingham ideal y el modelo de los fluidos pseudoplsticos. Los

lodos de perforacin que consisten en polmeros y tienen un contenido pequeo o nulo deslidos, tienen un comportamiento reolgico semejante al fluido pseudoplstico.

La tixotropa es la propiedad que tienen ciertos fluidos a fluir cuando son agitados y

regresar a su estado rgido cuando dejan de moverse, se mide mediante la fuerza de

gelatinizacin, la cual es la medida de la atraccin fsica y electroqumica bajo condiciones

estticas(8). Los lodos de perforacin se consideran tixotrpicos, lo que indica que cuando

no estn en movimiento tienden a gelatinizarse. Los valores de la fuerza gel deben ser lo

suficientemente altos para permitir la suspensin de los ripios, pero a la vez no tanto como

para impedir la recirculacin del lodo al colocar el taladro nuevamente en funcionamiento.

4.3 Formacin del revoque

La filtracin de los lodos sobre la superficie porosa del yacimiento es un fenmeno

inevitable, debido a que la presin que ejerce la columna de lodo sobre las paredes del hoyoes mayor que la presin de poro de la formacin. De esta manera, parte de los slidos

dispersos en el lodo se depositan sobre la pared del hoyo, formando una torta o revoque. (3)

Para que se forme un revoque, es esencial que el lodo contenga algunas partculas

cuyo tamao sea ligeramente menor que el de la abertura de los poros de la formacin.


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Estas partculas, que son conocidas como partculas formadoras de puentes, son atrapadas

en la superficie de los poros, mientras que las partculas ms finas son, en principio,

transportadas a una mayor profundidad en el interior de la formacin; su nombre se debe al

hecho de que ellas se agrupan en el interior del poro formando una estructura estable,semejante al arco de un puente. El paso de las partculas ms pequeas se impide,

progresivamente, a medida que los puentes se forman; cuando los espacios libres existentes

entre las partculas que forman los puentes son lo suficientemente pequeos, solamente

ocurre el paso de lquido hacia la formacin, y todas las partculas slidas son retenidas,

formando el revoque. La suspensin de partculas finas que ingresa a la formacin antes y

durante el establecimiento de los puentes se conoce como el chorro de lodo (mud spurt);

el lquido que entra posterior a la formacin de los puentes es el filtrado.(2)

Como resultado del proceso antes descrito, se distinguen tres zonas en la formacin

permeable donde ha ocurrido la filtracin del lodo de perforacin, como se muestra en la

Figura 4.6:

Un revoque externo sobre las paredes del hoyo.

Un revoque interno, que se extiende un par de dimetros de grano hacia el

interior de la formacin.

Una zona invadida por las partculas finas durante el perodo del chorro de lodo,la cual se extiende normalmente en un valor aproximado de una pulgada hacia el

interior de la formacin.

Figura 4.6Filtracin del lodo a travs de la formacin(3)


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Durante la perforacin estn presentes dos tipos de filtracin: la filtracin dinmica

que ocurre cuando el lodo est circulando y la filtracin esttica que tiene lugar cuando el

lodo est en reposo. La diferencia entre estos dos tipos de filtracin radica en que durante la

filtracin esttica la torta se forma libremente sin perturbaciones, mientras que en lafiltracin dinmica el crecimiento de la torta est limitado por la accin erosiva de la

corriente de lodo.

En la perforacin de pozos, el chorro de lodo puede ser considerable (llegndose

incluso a perderse la circulacin del lodo en el hoyo), a menos que el lodo contenga

partculas del tamao requerido para formar los puentes en los poros de la formacin, y as

establecer una base sobre la cual el revoque se pueda formar. Solo partculas de un tamao

determinado relativo al tamao del poro pueden formar puentes. Partculas ms grandes que

la abertura del poro no pueden entrar en el mismo, y son arrastradas por la corriente de

lodo; partculas considerablemente ms pequeas que la abertura del poro invaden a la

formacin expuesta; pero las partculas de un cierto tamao crtico se introducen en las

estrechuras de los canales de flujo y forman un puente justo en el interior de los poros. Una

vez que se establece el primer puente, sucesivamente las partculas ms pequeas son

atrapadas y despus slo lquido filtrado invade a la formacin. El perodo de chorro de

lodo es muy breve, cosa de un segundo o dos a lo sumo.

Con respecto al tamao crtico de partcula requerido para el proceso de formacin de

puentes, existen dos reglas empricas: la regla del 1/3 y la relacin d1/2.

La regla del 1/3 establece que el tamao de los slidos formadores de puentes debe

ser igual o ligeramente mayor que un tercio del tamao promedio del poro de la formacin.

La concentracin de los slidos formadores de puentes debe ser, por lo menos, el 5% envolumen de los slidos en la mezcla final del lodo.

A pesar de que esta regla es apoyada por varios autores, otros sugieren que no se

aplica siempre, ya que a velocidades de flujo relativamente bajas, an partculas ms

grandes que las establecidas en la regla pero que, a la vez, son ms pequeas que el poro, se

pueden introducir en el mismo una despus de la otra, sin formar puentes ni taponar el poro.


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La relacin d1/2 sugiere que para un proceso de formacin de puentes ideal, el

porcentaje en peso acumulado de los slidos formadores de puentes debe ser directamente

proporcional a la raz cuadrada de su tamao de partcula.

Las reglas mencionadas anteriormente son de carcter emprico. Se puede concluir,

en forma general, que si se quiere formar una base efectiva para el revoque, un lodo debe

contener partculas formadoras de puentes en un rango de tamaos comprendido desde un

valor superior que sea ligeramente menor que la abertura del poro ms grande de la

formacin a ser perforada, hasta un valor inferior que sea aproximadamente igual a un

tercio de ese tamao. Adicionalmente, debe haber partculas ms pequeas en un rango que

incluya hasta el tamao coloidal, para poder formar puentes en los poros ms pequeos de

la formacin y para poder ocupar los intersticios entre las partculas ms grandes. En todocaso, la formulacin ideal del lodo es aquella que minimice tanto al chorro de lodo y sus

slidos suspendidos, as como al volumen de filtrado.(3)

Generalmente las partculas de tamao coloidal proveen la parte ms importante del

control de prdida de filtrado. Este control, sin embargo, se limita por el tamao de poro del

yacimiento, por lo que se calcula el tamao de las partculas de forma emprica mediante la

siguiente relacin:

ddd31

71


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diferentes. Cuando el chorro de lodo es considerable, este puede causar una obstruccin

importante del medio, incrementando la cada de presin en el mismo; esto provoca que la

cada de presin en el revoque disminuya, con lo que tambin disminuye su compactacin.

Todo esto se traduce en un aumento en el volumen de filtrado.

Mientras ms grande sea la concentracin de partculas formadoras de puentes, ms

rpido ocurrir la formacin de los mismos, y menor ser el chorro de lodo.

4.4 Dao a la formacin

Durante el proceso de formacin del revoque una parte del liquido que constituye el

lodo de perforacin, as como los slidos de menor tamao penetran los poros de la

formacin, produciendo lo que se conoce como daos a la formacin. (3)

La velocidad de filtracin y el chorro de lodo deben ser minimizados cuando se

est penetrando en formaciones potencialmente productivas, ya que la productividad puede

ser reducida por cualquiera de los cuatro mecanismos siguientes (3, 10, 11):

La permeabilidad de un reservorio rocoso conteniendo arcillas naturales puede ser

reducida por la dilatacin de estas arcillas cuando entran en contacto con el

filtrado que est invadiendo, o por la dispersin y transporte de estas arcillas u

otros slidos finos. Las partculas as transportadas quedan atrapadas en las

estrechuras de los canales de flujo, reduciendo considerablemente la permeabilidad

de la roca.

La presin de ciertos reservorios no es lo suficientemente grande para conducir

todo el filtrado acuoso fuera de los poros de la roca, cuando el pozo es puesto a

producir. El filtrado remanente en los poros reduce el espacio disponible para el

flujo del petrleo o gas, causando as lo que se conoce como un bloqueo de agua

(waterblock).


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21

Las partculas finas del lodo, transportadas durante la etapa del chorro de lodo,

pueden obstruir los canales de flujo.

Puede ocurrir precipitacin mutua entre las sales disueltas en el filtrado y aquellaspresentes en el agua intersticial de la formacin.

La Figura 4.7 muestra una comparacin entre una formacin no afectada y otras

formaciones afectadas por el hinchamiento de las arcillas, bloqueo de agua e invasin de

finos.

Figura 4.7Daos a la formacin(10)

En formaciones permeables, las propiedades de filtracin deben ser controladas para

prevenir la formacin de revoques gruesos, lo que reduce excesivamente el ancho del hoyo

taladrado. Adems, un revoque grueso puede causar el atascamiento del tubo de perforacin

por un mecanismo conocido como pegado diferencial (differential sticking), destruyendo


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22

parte del revoque. Esto se puede observar en la Figura 4.8.

El riesgo de pegado del tubo de perforacin se puede reducir empleando un lodo que

forme un revoque delgado y duro, manteniendo la densidad del lodo lo ms baja posible

para minimizar la presin diferencial, y aadiendo un lubricante al lodo para reducir la

adhesin entre el tubo y el revoque.(10)

Figura 4.8Pegado Diferencial(10)

Tambin son necesarias buenas propiedades de filtracin del lodo cuando se perfora

en arenas no consolidadas, las cuales caeran hacia el hoyo a no ser que sean protegidas por

la rpida formacin de un revoque.

4.5 Fundamentos de filtracin

La filtracin es un proceso mecnico de separacin, mediante el cual se hace pasar

una suspensin a travs de un medio permeable (o medio filtrante) capaz de retener laspartculas slidas y permitir el paso del lquido. La capa de slidos que se deposita sobre el

medio permeable se denomina Torta de Filtracin, y el lquido obtenido se llama

filtrado.(12)


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23

El fluido puede ser un lquido o un gas, y la corriente valiosa procedente de un filtro

puede ser el fluido, los slidos o ambos productos.(13) Para que ocurra la filtracin debe

existir una fuerza impulsora o presin diferencial aplicada sobre el medio filtrante para

lograr obtener el filtrado.

4.5.1 Flujo de fluido a travs de un medio poroso(14)

La relacin fundamental entre la cada de presin y la tasa de flujo de lquido que

atraviesa un lecho empacado de slidos, como es mostrado en la Figura 4.9, se describi

por Darcy en 1856. El lquido pasa a travs del espacio abierto entre las partculas, es decir

los poros o vacos dentro del lecho. Como ste fluye por encima de la superficie del

empaquetamiento slido se producen prdidas friccionales que conllevan a una cada de

presin.

La cantidad de slidos dentro del lecho es claramente importante; a mayor cantidad

de slidos ms grande ser la superficie por encima de la cual fluye el lquido y, por

consiguiente, ms alta ser la cada de presin como resultado de la friccin. El volumen

disponible para el flujo del fluido es llamado porosidad. As:

mediodeltotalvolumen

porosdevolumenPorosidad == (4.5)

Figura 4.9Diagrama esquemtico de un medio poroso

Fracciones volumtricas:fraccin + fraccin = unidadporos slidos

Velocidad Superficial:

Medio

+ S= 1


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24

En muchas separaciones slido-lquido el uso de la concentracin de slido a menudo

se prefiere a la porosidad. Esto es normalmente el volumen de la fraccin de slidos

presentes dentro del lecho (S); la porosidad () es la fraccin de volumen vaco, de tal

forma que la suma de estas dos fracciones resulta la unidad. Por tanto, la concentracin de

la fraccin del volumen de slido o solidosidad es:

S= 1 - (4.6)

Darcy descubri que la prdida de presin era directamente proporcional a la proporcin de

flujo de fluido [Darcy, 1856]. Esto se muestra en la Figura 4.10.

La constante de proporcionalidad en la figura depende de la permeabilidad K de la

red porosa. La Ley de Darcy puede considerarse como el flujo de fluido a travs de unmedio poroso anlogo a la Ley de Ohm para el flujo de corriente elctrica, as: la fuerza que

hace fluir el fluido es la diferencia de potencial o cada de presin por unidad de longitud,

el flujo es la corriente o velocidad del lquido y la constante de proporcionalidad es la

resistencia elctrica o la proporcin de la viscosidad a la permeabilidad. Con el aumento de

la viscosidad o la disminucin de la permeabilidad aumenta la resistencia al flujo de fluido.

Figura 4.10Relacin proporcional entre la cada de presin y

la tasa de flujo a travs del medio poroso estable

En cualquier situacin que involucre el flujo de fluido es posible considerar el arrastre

de la superficie slida debido a dos fenmenos: la friccin superficial (arrastre viscoso) y el

arrastre de forma.

Proporcin de flujovolumentrco

Cadadepresin Pendiente

K


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25

La friccin superficial es resultado de la capa estacionaria de lquido que se produce

en la superficie del slido, el arrastre o la prdida de presin, por consiguiente, es debido a

la friccin existente entre el slido y el lquido. El arrastre de forma se debe a las

turbulencias que ocurren a tasas de flujo ms altas y fluctan en intensidad y direccin. Elarrastre de forma conlleva a prdidas adicionales de presin por encima de la friccin

superficial y a una prdida de la linearidad entre la tasa de flujo y la cada de presin.

Usualmente se utiliza el nmero de Reynolds modificado para distinguir entre los

rgimenes de flujo, o la importancia relativa de los tipos de arrastre. A bajas tasas de flujo

ocurren ms procesos de filtracin a travs del medio poroso, por lo cual el arrastre de

forma no se discutir ms y se asumir condiciones de flujo lineales. La ley de Darcy slo

es vlida bajo estas condiciones.

Ley de Ohm: Ley de Darcy:

V= I RA

1

dt

dV

Kh

P =

(4.7)

Donde V es la diferencia de

potencial, I es la corriente y R la

resistencia

Donde Pes la cada de presin,Les la

profundidad del lecho, es la viscosidad del

lquido, dVes el volumen de fluido que fluye en el

tiempo dtyAes el rea transversal del lecho

4.5.2 Permeabilidad(14)

Las caractersticas de la permeabilidad en el caso en que el lquido fluir dentro de un

medio poroso, incluyendo las tortas filtrantes, representan, por consiguiente, un parmetro

importante que ha sido estudiado por muchos trabajos de investigacin. Entre los factores

que afectan la permeabilidad se incluyen el tamao de partculas que constituye el medioporoso y la porosidad. La ecuacin mejor conocida para la permeabilidad es debida a

Kozeny [1972]:

( ) 2v2

3

S1kK

= (4.8)


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donde Sv es el rea de la superficie especfica por unidad de volumen de las partculas y k

es la constante de Kozeny que normalmente toma el valor de 5 en lecho fijo o de

movimiento lento y 3.36 en movimiento rpido del lecho. Sustituyendo la ecuacin 4.8 en

la ley de Darcy (ecuacin 4.7) se obtiene la ecuacin de Carman y Kozeny:

( )

A

1

dt

dVS15

h

P3

2v

2

=

(4.9)

Otras fuentes han investigado la relacin entre las concentraciones, el tamao de

partcula y la permeabilidad [Happel & Brenner, 1965].

Se asume que las partculas se encuentran rgidas en los modelos de permeabilidad,

en una geometra fija y en contacto una con otra. Adems, solo se consideran las fuerzas

debidas al arrastre de lquido y la presin. As cualquier otra fuerza presente podra causar

la desviacin de la simplificada aproximacin anterior. Tales fuerzas son generalmente

significantes para las partculas menores a 10 micrones; debe tenerse mucho cuidado al

aplicar estas relaciones a material menor a este tamao. ste es un hecho que Kozeny

reconoci. A pesar de esto, muchas investigaciones han aplicado la ecuacin de Carman y

Kozeny a partculas ms pequeas y tambin a macromolculas que sufren el fenmeno dela ultrafiltracin. La mayora se han decepcionado con la exactitud del modelo numrico

resultante.

En la filtracin normalmente es posible deducir una permeabilidad emprica de una

simple prueba de laboratorio o frente a datos operacionales existentes. En la prctica la

permeabilidad de la torta filtrante es funcin de la porosidad, la forma de la partcula y el

empaquetamiento, el tamao de la partcula y la distribucin, la tasa de flujo a la que la

torta fue formada, la concentracin del chorro siendo filtrando, etc. As slo deben usarse

las relaciones tericas para la permeabilidad como una gua para estimar la permeabilidad

en la ausencia de datos operacionales; las permeabilidades medibles pueden ser fcilmente

uno o dos rdenes de magnitud por debajo de las estimadas por las ecuaciones anteriores.

sto es consecuencia de muchos factores que no reconocen las ecuaciones anteriores. Es

generalmente cierto tambin que mientras las partculas sean ms finas, y la distribucin de


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tamao ms ancha, mayor ser la desviacin de la relacin terica de permeabilidad.

4.5.3 Torta de Filtracin(14)

La deposicin de slidos sobre un medio filtrante se muestra esquemticamente en

Figura 4.11. Generalmente se acepta que la filtracin que se produce en la torta de filtracin

o revoque tiene lugar por un mecanismo de puente que se produce por encima de los poros

de la superficie dentro de un medio filtrante, tela, empaquetamiento o soporte. Esto ayuda a

impedir el paso de partculas finas al medio. El medio filtrante juega un papel fundamental

en el comienzo de la filtracin, y el medio puede tener efectos duraderos en la estructura

del revoque y en las propiedades a lo largo del ciclo de filtracin.

Figura 4.11Ilustracin Esquemtica del medio filtrante y el revoque

La descripcin matemtica del proceso que comienza con la cada de la resistencia

del lecho, usando la ley de Darcy (ecuacin 4.7) para relacionar la proporcin de la tasa

flujo de filtrado y la cada de presin, es como sigue:

A1

KdtdV

hP =

Durante la filtracin la profundidad de la torta aumenta debido a la deposicin de slidos en

la superficie del revoque. El cambio de la profundidad de la torta se acompaa con los

cambios de la proporcin de flujo del fluido y el diferencial de presin, mientras aumenta el

tiempo de filtracin. As la ecuacin 4.7 tiene cuatro variables, incluso para los materiales

Slidos en suspensin

Torta de filtracino Revoque

FiltradoMedio filtrante


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de permeabilidad, viscosidad del lquido y rea filtrante constante. Un material que posee

una permeabilidad constante normalmente tiene como consecuencia una concentracin

constante en la torta. Esto es consistente con las ecuaciones de permeabilidad, las cuales

mostraron que la permeabilidad es funcin del tipo de slidos (el tamao) y la porosidad (oconcentracin). Un material de concentracin de torta constante es, por consiguiente,

incompresible y este tipo de filtracin es conocida como filtracin de torta incompresible.

La mayora de los conceptos siguientes tambin involucran a tortas compresibles, las cuales

generalmente se consideran parte de esta teora bsica.

En la filtracin incompresible la concentracin de la torta permanece constante, as

como para cada unidad de volumen de la suspensin, el volumen del revoque incrementa de

manera uniforme y en cantidad constante. Igualmente el volumen del filtrado es uniforme y

constante con respecto a cada unidad de volumen de la suspensin filtrante. La proporcin

de deposicin de la torta, sin embargo, no ser uniforme porque cada nuevo elemento de la

misma incrementa la resistencia total al paso del filtrado a travs de la nueva capa de torta

que se forma y eventualmente a travs del medio filtrante. As la tasa de filtracin decae

cuando se filtra a presin constante, como se muestra en la Figura 4.12. La relacin

uniforme entre el volumen de la torta y el volumen del filtrado se ilustra en la Figura 4.13.

La constante de proporcionalidad puede ser usada para dar una ecuacin para la

profundidad de la torta, a cualquier instante en el tiempo:

A

Vh

= (4.10)

esto puede sustituirse en la ecuacin 4.7 para dar:

=V

PKA

dt

dV 2 (4.11)

As la ecuacin 4.11 contiene una variable menos que la ecuacin 4.7 pero una constantems ().

Claramente, la proporcin de volumen de la torta todava debe calcularse antes que la

ecuacin 4.11 pueda ser evaluada. Esto se logra mediante un balance de masa en el slido y

en el lquido que entra en el sistema filtrante.


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Figura 4.12Decaimiento de la tasa de filtrado a presin constante

Masa de slidos en el revoque: SA h s (kg)

Masa de lquido en el revoque: (1 S)Ah (kg)

Fraccin msica de slidos en el filtrado: s

Masa total de filtrado (slido y lquido): M (kg)

Balance de masa en el lquido:

hA)1(VM)1( SS +=

Balance de masa en los slidos:

s M = S ShA

el cual se combina con la ecuacin 4.10 y reorganizando resulta:

( ) ( )

=SsS 1ss1

s (4.12)

El uso de la ecuacin 4.12 asume el conocimiento de dos constantes (excluyendo las

densidades): la concentracin del filtrado por fraccin msica y la concentracin de la torta

de filtracin por fraccin volumtrica. Lo anterior se obtiene rpidamente mediante la toma

de muestra, la medida del peso, el secando y el repesando. El ltimo normalmente se

obtiene por una ruta similar, pero con la necesidad de convertir los datos de fraccin msica

a fraccin volumtrica.

VolumendeFiltradoA

cumulado

Inicial

Tiempo


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Figura 4.13Relacin proporcional entre el revoque y el volumen de filtrado

4.5.3.1 Masa de torta depositada por Unidad de rea y Resistencia Especfica(14)

Un procedimiento til que sigue de la ecuacin 4.11 es multiplicar el numerador y

denominador por el producto de la concentracin de slidos y la densidad, y rearreglando

la ecuacin resultante para dar:

=PA

1

K

V

A

dt

dV sS

sS

(4.13)

La ecuacin 4.10 tambin puede multiplicarse por la concentracin y la densidad para

dar:

sSsSA

Vh

=

Ntese que A hSs es la masa de slidos secos depositados en la torta, as la ecuacin

anterior es la masa de slidos secos por unidad de rea, y normalmente se da ms en

trminos de:

AV

AMm sSSS

== (4.14)

La permeabilidad de la torta, la fraccin de concentracin volumtrica y la densidad

del slido son constantes para una torta incompresible y pueden, por consiguiente, ser

Volumen de filtrado

Volumend

elatorta

Pendiente:

= h AV


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reemplazados por una sola constante llamada resistencia especfica la cual tiene como

unidades m kg-1:

sSK

1

= (4.15)

Ntese que como la permeabilidad es anloga a la conductividad elctrica es lgico usar el

trmino de resistencia como el inverso de la conductividad del fluido, o permeabilidad.

Sustituyendo las ecuaciones 4.14 y 4.15 en la ecuacin 4.13 da:

=Sm

PA

dt

dV (4.16)

la cual es la ecuacin diferencial que se usar en las descripciones matemticas siguientes

de filtracin. Se debe, sin embargo, tener presente que este procedimiento podra ser

empleado en la ecuacin 4.11, retomando la permeabilidad y usando la ecuacin 4.12 para

la proporcin de volumen de la torta de filtracin para recolectar el volumen de filtrado.

El significado fsico de la resistencia especfica se ilustra en la Figura 4.14. Si slo se

considera en la ley de Darcy la resistencia del revoque rc:

A

1

dt

dVrP c=

entonces la resistencia global a la filtracin aumenta con el tiempo debido a la deposicin

de slidos en el revoque. La proporcin de aumento en la resistencia de la filtracin es, sin

embargo, lineal con respecto a la masa de slidos secos depositados por unidad de rea de

filtro. As la resistencia especfica es la proporcin, o pendiente, de estos dos trminos

como es ilustrado en la Figura 4.14.

La ecuacin 4.16 no puede resolverse sin algn mtodo que calcule la masa de

slidos secos depositados por unidad de rea de filtro.

4.5.3.2 Concentracin de slidos(14)

La apreciacin de las diferentes formas de concentracin del slido, es esencial en

conciliacin de los datos experimentales con la descripcin matemtica de filtracin. Es


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probable que se obtengan los datos experimentales en fraccin msica; s, para el revoque o

la concentracin del filtrado respectivamente. La concentracin en fraccin volumtrica

viene de la definicin de densidad:

( ) 1sS

s

s11

liquidodeVolumensolidosdeVolumen

solidosdeVolumen

+=+

= (4.17)

Figura 4.14Resistencia Especfica

La concentracin en trminos de masa de slidos por unidad de volumen (Cwv) se obtiene

por una ruta similar:

( )

1

11

+=+= s

sliquidodeVolumensolidosdeVolumen

solidosdeMasaCs

wv

y la concentracin en trminos de la masa de slidos por unidad de volumen de lquido :

( )s1sliquidodeVolumen

solidosdeMasa==

A menudo se asume que ms puede obtenerse de (masa de torta seca por unidad de

volumen de filtrado) como sigue:

Ms= msA = Masa de slidos secos = V

que rearreglando queda:

A

Vm S = (4.18)

Un tratamiento ms riguroso de la masa seca de la torta por unidad de rea de

filtracin usualmente comienza con la proporcin de la humedad de la torta, definida como:

Masa de slidos secos por unidad de rea, kg m2

Resistenciadelatortaalafiltracin,m

-1

Pendiente

= rC/w


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tortalaenslidosdeMasa

tortalaenlquidodeMasatortalaenslidosdeMasa

asectortadeMasa

hmedatortadeMasam

+==

As:( )

sS

SsS

Ah

Ah1Ahm

+

=

y dividiendo por los slidos contenidos en la torta resulta:

( )

sS

S11m

+=

Combinando las ecuaciones 4.12 y 4.14 da:

( ) ( ) AV

1ss1sm

SsS

sSS

=

que se lleva a:

( )AV1

1s1

msS

SS

=

Sustituyendo en la expresin para la humedad del revoque y reordenando resulta la

ecuacin 4.19:

AVsm1 smS =

(4.19)

Usando la definicin de en la ecuacin 4.19 se reduce a la ecuacin 4.18 cuando la

proporcin de humedad de la torta es la unidad. Por lo tanto:

=sm1

s (4.20)

Dependiendo de los datos disponibles y del grado de complejidad de la solucin requerida.

En ambos casos el trmino de la concentracin en el lado derecho de la ecuacin (mSy s) se

refiere al filtrado, y ser constante para la torta de filtracin incompresible. Fsicamente,

el trmino representa la masa de torta seca depositada por unidad de volumen de filtrado.

Para tortas compresibles en la ecuacin 4.20, sin embargo, mno es una constante.


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El anlisis anterior demuestra que el conocimiento de la concentracin de la torta, por

consiguiente, no es esencial, como fue evaluado en la ecuacin 4.12, con tal de que el

lquido retenido en la torta sea pequeo.

4.5.4Ecuacin Fundamental de formacin de la torta (14)

Sustituyendo la ecuacin 4.18 en la ecuacin 4.16 resulta:

=V

PA

dt

dV 2 (4.21)

La ecuacin 4.21 contiene tres variables y cuatro constantes: tiempo, volumen de filtrado y

presin; y rea de filtracin, viscosidad, concentracin y resistencia especfica. Las dos

ltimas slo son constantes si la torta es incompresible. La ecuacin analticamente slo

puede resolverse si se sostiene que una de las tres variables es constante. Esto refleja el

modo fsico de funcionamiento de los filtros industriales; la filtracin al vaco tiende a ser a

presin constante y la presin de filtracin a menudo est bajo proporcin constante, o por

lo menos hasta que se predetermine que la presin se ha logrado.

4.5.4.1 Filtracin a presin constante(14)

Bajo estas condiciones la ecua

Caracterización de revoques

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