Ingeniería de Petróleos · 2022
Evaluación del comportamiento reológico de un fluido de perforación base agua reforzado con nanopartículas de óxido de titanio (TiO2) y óxido de zinc (ZnO)
El ZnO y TiO2 materiales comercialmente nanoparticulados presentan propiedades similares y de gran utilidad debido a su geometría y tamaño, su uso en diferentes áreas de la ciencia incluyendo la industria petrolera ha llamado la atención durante los últimos años. En este trabajo se utilizaron nanopartículas comerciales de ZnO y TiO2 en fase anatasa, se caracterizaron en el laboratorio de Espectrometría Atómica y Molecular (LEAM) de la sede UIS Guatiguará. Se llevaron a cabo diferentes pruebas en las que se observó que el óxido de zinc y óxido de titanio tienen un efecto positivo sobre las propiedades reológicas del fluido de perforación al agregar cantidades tan pequeñas entre 0,15 -0,35 libras por barril (lb/bbl). De igual manera se observó que los óxidos de zinc y titanio actúan como agentes controladores de filtrado, disminuyendo el volumen perdido de la fase acuosa y mejorando las propiedades del revoque o retorta del fluido. Según un análisis comparativo entre ZnO y TiO2 como nanopartículas se pudo identificar que el ZnO a (0,1% en peso) se desempeñó favorablemente en el fluido de perforación base agua-bentonita. En esta investigación, también se pudo comparar la efectividad del óxido de zinc y titanio como controlador de filtrado con el aditivo comercial PAC-L obteniendo resultados favorables y finalmente se analizó económicamente el uso de las nanopartículas en campo.
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Contenido
- Introducciónp. 16
- 1. Objetivosp. 18
- 1.1 Objetivo Generalp. 18
- 1.2 Objetivos Específicosp. 18
- 2. Marco Teóricop. 19
- 2.1 Generalidades de los fluidos de perforaciónp. 19
- 2.1.1 Definición de un fluido de perforaciónp. 19
- 2.1.2 Fases de los fluidos de perforaciónp. 19
- 2.1.2.1 Fase continúap. 19
- 2.1.2.2 Fase dispersap. 19
- 2.1.3 Clasificación de los fluidos de perforaciónp. 19
- 2.1.3.1 Fluidos base aguap. 20
- 2.1.3.2 Fluidos de perforación base aceitep. 20
- 2.1.3.3 Fluidos neumáticosp. 20
- 2.1.4 Funciones de los fluidos de perforaciónp. 20
- 2.1.4.1 Enfriamiento y lubricación a la broca y sarta de perforaciónp. 20
- 2.1.4.2 Suspensión de recortesp. 21
- 2.1.4.3 Control de presiones de la formaciónp. 21
- 2.1.4.4 Control de filtradop. 21
- 2.1.4.5 Soportar el peso de la sarta de perforación y del casingp. 21
- 2.1.4.6 Sostén a las paredes del pozop. 22
- 2.1.4.7 Transmisión de potencia hidráulica sobre la formación por debajo de la brocap. 22
- 2.1.4.8 Asegurar una toma adecuada de registros de pozop. 22
- 2.1.5 Propiedades de los fluidos de perforaciónp. 22
- 2.1.5.1 Propiedades físicasp. 22
- 2.1.5.1.1 Viscosidadp. 101
- 2.1.5.1.2 Densidadp. 57
- 2.1.5.1.3 Viscosidad plásticap. 24
- 2.1.5.1.4 Viscosidad aparentep. 24
- 2.1.5.1.5 Viscosidad APIp. 24
- 2.1.5.1.6 Resistencia de gelp. 25
- 2.1.5.1.7 Punto cedente (Yield Point)p. 25
- 2.1.5.1.8 pHp. 26
- 2.1.5.1.9 Propiedades de filtradop. 26
- 2.1.5.2 Propiedades Químicasp. 27
- 2.1.5.2.1 Alcalinidadp. 27
- 2.1.5.2.2 Durezap. 28
- 2.1.5.2.3 Clorurosp. 28
- 2.1.6 Tipos de fluidos de perforaciónp. 28
- 2.1.6.1 Fluidos newtonianosp. 28
- 2.1.6.2 Fluidos no Newtonianosp. 28
- 2.1.7 Aditivos comerciales usados en fluidos de perforaciónp. 29
- 2.1.7.1 Viscosificantesp. 30
- 2.1.7.1.1 Bentonitap. 30
- 2.1.7.1.2 Asbestop. 32
- 2.1.7.1.3 Atapulguitap. 30
- 2.1.7.1.4 Polímerosp. 30
- 2.1.7.2 Controladores de filtradop. 30
- 2.1.7.2.1 Celulosa polianiónica (PAC-LTM)p. 34
- 2.1.7.2.2 Almidonesp. 30
- 2.1.8 Modelos reológicosp. 34
- 2.1.8.1 Modelo plástico de Binghamp. 34
- 2.1.8.2 Ley de la potenciap. 35
- 2.2 Generalidades de las nanopartículas de TiO2 y ZnOp. 36
- 2.2.1 Nanotecnologíap. 36
- 2.2.2 Nanopartículasp. 18
- 2.2.3 Nanofluidosp. 37
- 2.2.4 Nanotecnología aplicada en la ingeniería de perforaciónp. 38
- 2.2.5 Nanopartículas de Óxido Titanio (TiO2) estado del artep. 39
- 2.2.6 Nanopartículas de Óxido de Zinc (ZnO) estado del artep. 42
- 2.2.6.1 Dispersión dinámica de luz (DLS)p. 45
- 2.2.6.2 Absorción de radiación UVp. 45
- 2.2.6.3 Absorción infrarrojap. 46
- 3. Métodos y Resultadosp. 48
- 3.1 Caracterización de nanopartículas comerciales de ZnO y TiO2p. 48
- 3.1.1Dispersión dinámica de luz (DLS) nanopartículas ZnO Y TiO2p. 48
- 3.1.1.1 Óxido de Zinc comercial (ZnO)p. 48
- 3.1.1.2 Óxido de Titanio comercial (TiO2)p. 51
- 3.1.2 Absorción Infrarroja nanopartículas comerciales de ZnO Y TiO2p. 53
- 3.1.2.1 Óxido de Zinc comercial (ZnO)p. 53
- 3.2 Formulación y formatos de pruebas preliminaresp. 55
- 3.2.1 Nanofluidos de ZnO Y TiO2p. 56
- 3.2.1.1 Reología y densidad nanofluidos de NPs ZnO y TiO2p. 56
- 3.2.1.2 Medición de pH nanofluidos de NPs ZnO y TiO2p. 57
- 3.2.1.3 Pruebas de filtrado API nanofluidos de NPs ZnO y TiO2p. 58
- 3.2.2 Comparación nanofluidos de ZnO y TiO2 y fluido de PAC-Lp. 58
- 3.2.1.1 Reología y pH nanofluidos ZnO y TiO2 y fluido PAC-Lp. 59
- 3.2.1.3 Pruebas de comparación filtrado API nanofluidos ZnO y TiO2 y fluido PAC-Lp. 60
- 3.3 Desarrollo de las pruebas de laboratoriop. 60
- 3.3.1 Pruebas nanofluidos de ZnO Y TiO2p. 63
- 3.3.1.1 Prueba de reología y densidad nanofluidos de NPs ZnO y TiO2p. 63
- 3.3.1.1.1 Densidad nanofluidos ZnO y TiO2p. 64
- 3.3.1.1.2 Viscosidad dinámica nanofluidos ZnO y TiO2p. 64
- 3.3.1.1.3 Viscosidad plástica (Vp) y punto cedente (Yp) de los nanofluidos de ZnO y TiO2p. 66
- 3.3.1.1.4 Esfuerzos de gel nanofluidos ZnO y TiO2p. 67
- 3.3.1.1.5 Medición de pH nanofluidos de NPs ZnO y TiO2p. 68
- 3.3.1.1.6 Análisis de filtrado API nanofluidos de NPs ZnO y TiO2p. 69
- 3.3.1.1.7 Retortas Nanofluidos ZnO y TiO2p. 72
- de Zinc (ZnO) y óxido de Titanio (TiO2) y el PAC-L comercialp. 73
- el fluido de PAC-Lp. 74
- 3.3.2.3 Retortas PAC-Lp. 77
- 3.3.3 Pruebas de compatibilidad de las NPs de ZnO y TiO2p. 78
- 3.4 Análisis económico nanofluidos de ZnO y TiO2p. 88
- 3.5 Aditivo recomendadop. 92
- 4. Conclusionesp. 93
- 5. Recomendacionesp. 95
- Referencias Bibliográficasp. 96
- Tabla 1 Densificantes usados en la industria de los hidrocarburosp. 23
- Tabla 2 Clasificación de los aditivos comerciales de fluidos de perforaciónp. 30
- Tabla 3 Principales características respecto a las técnicas UV/Vis e IRp. 47
- Tabla 4 Formulación de fluidos para pruebas preliminaresp. 55
- Tabla 5 Formulación de fluidos para pruebas preliminares de ZnO y TiO2p. 56
- Tabla 6 Formato registro de reología y densidad nanofluidos de ZnO y TiO2p. 57
- Tabla 7 Formato para registro del pH en los nanofluidosp. 57
- Tabla 8 Formato para registrar el filtrado y análisis de retorta nanofluidos de ZnO y TiO2p. 58
- Tabla 9 Formato de formulación para la comparación de nanofluidos con el PAC-Lp. 59
- y TiO2 fluido PAC-Lp. 60
- Tabla 12 Formulación de fluidos pruebas nanofluidos de ZnO y TiO2p. 63
- Tabla 13 Resultados de reología y densidad nanofluidos de ZnO y TiO2p. 64
- Tabla 14 Medición pH en los nanofluidos de ZnO y TiO2p. 69
- Tabla 15 Resultados de filtrado y análisis de retorta nanofluidos de ZnO y TiO2p. 69
- Tabla 16 Formulación de fluidos ya establecidos y el nuevo fluido con el aditivo PAC-Lp. 73
- nuevo fluido con PAC-Lp. 74
- de nanofluidos de ZnO y TiO2 con fluido de PAC-Lp. 76
- Tabla 19 Formulación de los aditivos para pruebas de compatibilidadp. 79
- Tabla 20 Observaciones pruebas de compatibilidad para ZnO + Aguap. 80
- Tabla 21 Observaciones pruebas de compatibilidad para TiO2 + Aguap. 81
- Tabla 22 Observaciones pruebas de compatibilidad para NPs ZnO + Bentonitap. 82
- Tabla 23 Observaciones pruebas de compatibilidad para NPs TiO2 + Bentonitap. 83
- Tabla 24 Observaciones pruebas de compatibilidad para NPs ZnO + PAC-Lp. 84
- Tabla 25 Observaciones pruebas de compatibilidad para NPs TiO2 + PAC-Lp. 85
- Tabla 28 Formulación de lodos para análisis económicop. 88
- Tabla 29 Precio de los aditivos y costo en USD/bblp. 89
- Tabla 30 Precio de los aditivos y costo del fluido en COP/bbl equivalentep. 90
- Figura 1 Gráfica del esfuerzo cortante (T) vs Velocidad de corte(V)p. 26
- Figura 3 Estructura de la bentonitap. 31
- Figura 4 Estructura de un polímerop. 33
- Figura 5 Análisis XRD de las NPs de TiO2p. 40
- Figura 6 Imágenes TEM de NPs TiO2p. 41
- Figura 7 Imágenes SEM de las NPs de ZnO sintetizadasp. 42
- Figura 8 Imágenes TEM de NPs ZnOp. 43
- Figura 9 Gráfica UV-Visp. 46
- separaciónp. 49
- ultrasonidop. 50
- de separaciónp. 51
- ultrasonidop. 52
- Figura 14 Absorción Infrarroja de NPs comerciales de ZnOp. 53
- Figura 15 Absorción Infrarroja de NPs comerciales de TiO2p. 54
- Figura 16 Balanza de medición de densidad para lodosp. 61
- Figura 17 Imagen del reómetro de FANN 35 Ap. 61
- Figura 18 Imagen de la cinta indicadora de pHp. 62
- Figura 19 Imagen de la filtroprensap. 62
- Figura 20 Representación de la viscosidad vs RPM (Ѳ300 y Ѳ600)p. 65
- Figura 21 Gráfica de Viscosidad plástica y Punto cedente para los nanofluidosp. 66
- Figura 22 Esfuerzos de gel vs concentración de Nanopartículas de ZnO y TiO2p. 68
- Figura 23 Volumen de filtrado obtenido en los nanofluidos de ZnO y TiO2p. 70
- Figura 24 Retortas formadas por el lodo base y los nanofluidos de ZnO y TiO2p. 72
- de PAC-Lp. 77
- Figura 26 Retortas formadas por el lodo con el aditivo PAC-Lp. 78