TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA QUÍMICA

(1)

UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

CARRERA DE INGENIERÍA QUÍMICA

DISEÑO, CARACTERIZACIÓN Y TRATAMIENTO DE CORTES Y RIPIOS PRODUCTO DE LA PERFORACIÓN DEL CAMPO YANAQUINCHA.

TRABAJO DE GRADO PARA LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERA QUÍMICA

AUTORA: SOFIA BELEN BORJA BALLESTEROS TUTOR: ING. LUIS A. CALLE GUADALUPE

(2)

APROBACIÓN DEL TUTOR

En calidad de Tutor de la Tesis de Grado DISEÑO, CARACTERIZACIÓN Y TRATAMIENTO DE CORTES Y RIPIOS PRODUCTO DE LA PERFORACIÓN DEL CAMPO YANAQUINCHA., certifico que el mismo es original y ha sido desarrollado por la señorita SOFIA BELEN BORJA BALLESTEROS, bajo mi dirección y conforme a todas las observaciones realizadas considero que el trabajo reúne los requisitos y por tanto tiene aprobación.

En la ciudad de Quito, a los 28 días del mes de Julio del 2015.

TUTOR

(3)

AUTORIZACIÓN DE LA AUTORÍA INTELECTUAL

Yo, SOFIA BELEN BORJA BALLESTEROS en calidad de autora de la Trabajo de Grado realizada sobre “DISEÑO, CARACTERIZACIÓN Y TRATAMIENTO DE CORTES Y RIPIOS PRODUCTO DE LA PERFORACIÓN DEL CAMPO YANAQUINCHA.”, por la presente autorizo a la UNIVERSIDAD CENTRAL DEL ECUADOR, hacer uso de todos los contenidos que me pertenecen o de parte de los que contiene esta obra, con fines estrictamente académicos o de investigación.

Los derechos que como autor me corresponden, con excepción de la presente autorización, seguirán vigentes a mi favor, de conformidad con lo establecido en los artículos 5, 6, 8, 19 y demás pertinentes de la Ley de Propiedad Intelectual y su Reglamento.

Quito, 07 de Agosto de 2015

Sofía Belén Borja Ballesteros C.I. 172020804-8

sofibel_86@hotmail.com

(4)

DEDICATORIA

A mi Abuelita Laura que es un angelito que supo guiarme desde el cielo en los momentos más difíciles, quien fue un pilar muy importante en mi vida, y supo cuidar de mí, darme todo su amor, paciencia, a pesar que no estés a mi lado siempre estás en mi mente y en mi corazón, como quisiera que estés en este momento tan importante junto a mí, y a mi hijo Leandro Vizuete que con su sonrisa dice más de mil palabras TE AMO chiquito.

(5)

AGRADECIMIENTO

A ti mi Dios y mi Virgen Dolorosa, por darme la fuerza y la sabiduría para poder salir adelante en los momentos más difíciles de mi vida.

Agradezco a mi abuelita Laura, a mis padres Elsa y Pépe por estar pendientes de mí, y brindarme todo su apoyo incondicional.

A mi hermano Kevin por ser un compañero y con quien siempre puedo contar y además mi futuro colega.

A mi esposo César Vizuete (Beto) por su paciencia y amor que me ha dado durante todos estos años juntos, y a mi adorado hijo Leandro Vizuete por brindarme tres maravillosos años junto a ti y darme ese aliento para seguir adelante.

Al Ing. Herbert Raza, por abrirme las puertas de la empresa QMAX y darme todo el apoyo y facilidades para poder realizar este trabajo, gracias.

A mis compañeros de estuvieron junto a mi es épocas de estudio, a mis amigos que forman parte del DPEC, Vanesa, Fernanda, Lucia, Carlitos, Segundo, Richard gracias por todo lo que me ayudaron en los momentos de más necesidad, y un agradecimiento especial a Cristian Córdova por ayudarme en los momentos de más angustia en la realización de este trabajo.

A mis suegros por darme su mano generosa y ayudarme durante estos tres años de aprendizaje y a la Flia Pozo por sus palabras de aliento y cariño.

(6)

CONTENIDO

Pág.

LISTA DE TABLAS ... xi

LISTA DE FIGURAS ... xvi

LISTA DE GRÁFICOS ... xviii

LISTA DE ANEXOS ... xxi

RESUMEN ... xxii

SUMMARY ... xxiii

INTRODUCCIÓN ... 24

1. MARCO TEÓRICO ... 26

1.1. Fundamentación Teórica ... 26

1.1.1. Pozo petrolero ... 26

1.1.2. Perforación ... 26

1.1.3. Lodo de Perforación ... 26

1.1.4. Cortes y ripios de perforación ... 26

1.1.4.1. Clasificación de los sólidos por su tamaño ... 27

1.1.5. Clasificación de los sólidos por su densidad ... 28

1.1.6. Contaminación ... 28

2. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL DE SÓLIDOS ... 30

2.1. Remoción de Cortes y Ripios de Perforación ... 30

2.2. Mecanismos de Control de Sólidos ... 30

2.2.1. Dilución o desplazamiento ... 30

2.2.2. Sedimentación ... 31

2.2.3. Método mecánico ... 31

2.2.4. Equipo de control de sólidos ... 32

3. CARACTERIZACION Y MARCO LEGAL DE CORTES Y RIPIOS PRODUCTO DE LA PERFORACIÓN ... 56

3.1. Parámetros de contaminación ... 56

3.1.1. Conductividad Eléctrica ... 56

3.1.2. Potencial Hidrógeno (Ph) ... 56

3.1.3. Hidrocarburos totales TPH ... 57

3.1.4. Hidrocarburos Aromáticos Policíclicos (HAP´s) ... 57

3.1.5. Metales Pesados... 57

(7)

3.2. Tratamiento de cortes y ripios producto de la perforación ... 59

3.2.1. Elementos utilizados en el tratamiento ... 59

3.3. Marco Legal ... 62

3.3.1. Reglamento Ambiental para el manejo y disposición de los ripios de perforación. ... 63

4. PARTE EXPERIMENTAL... 65

4.1. Diseño Experimental ... 65

4.1.1. Esquema del diseño experimental del tratamiento de cortes y ripios producto de la perforación ... 65

4.1.2. Materiales y Equipo ... 67

4.1.3. Sustancias y reactivos ... 67

4.1.4. Muestreo ... 67

4.1.5. Procedimiento ... 67

4.1.6. Elaboración de las mezclas para el tratamiento de cortes y ripios de perforación ... 68

4.2. Diseño del Proceso ... 70

4.3. Datos Experimentales ... 72

4.3.1. Datos de laboratorio de la caracterización de cortes y ripios Muestra Original ... 72

4.3.2. Datos de laboratorio de la caracterización de cortes y ripios Mezcla 1 ... 74

5. CÁLCULOS ... 85

5.1. Cálculo para bombas centrifugas ... 85

5.1.1. Calculo de la carga expresada como aceleración centrifuga ... 85

5.1.2. Calculo de la presión de alimentación ... 86

5.1.3. Calculo de la potencia de la bomba ... 86

5.2. Cálculo del volumen de la tolva ... 86

5.2.1. Cálculo de la Presión interna que soporta la Tolva ... 87

5.2.2. Cálculo de la Potencia del motor de la tolva ... 88

5.3. Especificaciones de diseño de los equipos que forman el sistema de control de sólidos ... 89

5.4. Preparación de las mezclas para los cortes y ripios producto de la perforación ... 90

5.4.1. Cálculo modelo del volumen que se requiere para tratar 500 gr de lodo ... 90

(8)

6.1. Resultados de la experimentación ... 94 6.1.1. Comparación grafica de los resultados obtenidos del tratamiento para la primera

sección ... 94 6.1.2. Comparación grafica de los resultados obtenidos del tratamiento para la segunda

sección ... 95 6.1.3. Comparación grafica de los resultados obtenidos del tratamiento para la tercera sección ... 96 6.2. Análisis de las variables para encontrar las condiciones adecuadas de operación en el proceso de tratamiento de cortes y ripios producto de la perforación para Zaranda

Primera Sección. ... 97 6.2.1. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de PH para datos de zaranda primera sección. ... 97 6.2.2. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Conductividad para datos de zaranda primera sección. ... 99 6.2.3. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Bario para datos de

zaranda primera sección. ... 101 6.2.4. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Cadmio para datos de zaranda primera sección. ... 103 6.2.5. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Cromo para datos de zaranda primera sección. ... 105 6.2.6. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Cromo para datos de zaranda primera sección. ... 107 6.3. Análisis de las variables para encontrar las condiciones adecuadas de operación en el proceso de tratamiento de cortes y ripios producto de la perforación. ... 109 6.3.1. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de PH para datos de

zaranda segunda sección. ... 109 6.3.2. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Conductividad para datos de zaranda segunda sección. ... 111 6.3.3. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Bario para datos de

zaranda segunda sección. ... 113 6.3.4. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Cadmio para datos de zaranda segunda sección. ... 115 6.3.5. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Cromo para datos de zaranda segunda sección. ... 117 6.3.6. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Vanadio para datos de zaranda segunda sección. ... 119

(9)

6.4. Análisis de las variables para encontrar las condiciones adecuadas de operación en el proceso de tratamiento de cortes y ripios producto de la perforación. ... 121 6.4.1. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de PH para datos de

zaranda tercera sección. ... 121 6.4.2. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Conductividad para datos de zaranda tercera sección. ... 123 6.4.3. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Bario para datos de

zaranda tercera sección. ... 125 6.4.4. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Cadmio para datos de zaranda tercera sección. ... 127 6.4.5. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Cromo para datos de zaranda tercera sección. ... 129 6.4.6. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Cromo para datos de zaranda tercera sección. ... 131 6.5. Análisis de las variables para encontrar las condiciones adecuadas de operación en el proceso de tratamiento de cortes y ripios producto de la perforación Cortes

Primera Sección ... 133 6.5.1. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de PH para datos de cortes primera sección. ... 133 6.5.2. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Conductividad para datos de cortes primera sección. ... 135 6.5.3. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Bario para datos de cortes primera sección. ... 137 6.5.4. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Cadmio para datos de cortes primera sección. ... 139 6.5.5. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Cromo para datos de cortes primera sección. ... 141 6.5.6. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Cromo para datos de cortes primera sección. ... 143 6.6. Análisis de las variables para encontrar las condiciones adecuadas de operación en el proceso de tratamiento de cortes y ripios producto de la perforación de Cortes Segunda Sección. ... 145 6.6.1. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de PH para datos de

(10)

6.6.3. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Bario para datos de

cortes segunda sección. ... 149

6.6.4. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Cadmio para datos de cortes segunda sección. ... 151

6.6.5. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Cromo para datos de cortes segunda sección. ... 153

6.6.6. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Cromo para datos de cortes segunda sección. ... 155

6.7. Análisis de las variables para encontrar las condiciones adecuadas de operación en el proceso de tratamiento de cortes y ripios producto de la perforación de Cortes Tercera Sección. ... 157

6.7.1. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de PH para datos de cortes tercera sección... 157

6.7.2. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Conductividad para datos de cortes tercera sección. ... 159

6.7.3. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Bario para datos de cortes tercera sección... 161

6.7.4. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Cadmio para datos de cortes tercera sección... 163

6.7.5. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Cromo para datos de cortes tercera sección... 165

6.7.6. Efectos principales de variables sobre variables respuesta de Cromo para datos de cortes tercera sección... 167

7. DISCUSIÒN ... 170

8. CONCLUSIONES ... 172

9. RECOMENDACIONES ... 173

CITAS BIBLIOGRAFICAS... 174

BIBLIOGRAFÍA ... 177

ANEXOS ... 179

(11)

LISTA DE TABLAS

Pág.

Tabla 1. Clasificación API con respecto al tamaño de partícula ... 27

Tabla 2. Densidad específica de materiales comunes en los campos petroleros ... 28

Tabla 4. Porcentaje de mezclas para el tratamiento ... 69

Tabla 5. Datos de la muestra a tratar ... 72

Tabla 6. Caracterización de las muestras de zarandas primera sección muestra original ... 72

Tabla 7. Caracterización de las muestras de cortes primera sección muestra original ... 72

Tabla 8. Caracterización de las muestras de cortes segunda sección muestra original ... 73

Tabla 9. Caracterización de las muestras de cortes segunda sección muestra original ... 73

Tabla 10. Caracterización de las muestras de zaranda tercera sección muestra original ... 73

Tabla 11. Caracterización de las muestras de cortes tercera sección muestra original ... 74

Tabla 12. Caracterización de las muestras de zaranda primera sección mezcla 1 ... 74

Tabla 13. Caracterización de las muestras de cortes primera sección mezcla 1 ... 74

Tabla 14. Caracterización de las muestras de zaranda segunda sección mezcla 1 ... 75

Tabla 15. Caracterización de las muestras de cortes segunda sección mezcla 1 ... 75

Tabla 16. Caracterización de las muestras de zaranda tercera sección mezcla 1 ... 75

Tabla 17. Caracterización de las muestras de cortes tercera sección mezcla 1 ... 76

(12)

Tabla 36. Caracterización de las muestras de zaranda primera sección receta 1 ... 82

Tabla 37. Caracterización de las muestras de cortes primera sección receta 1 ... 82

Tabla 38. Caracterización de las muestras de zaranda segunda sección receta 1 ... 83

Tabla 39. Caracterización de las muestras de cortes segunda sección receta 1... 83

Tabla 40. Caracterización de las muestras de zaranda tercera sección receta 1 ... 83

Tabla 41. Caracterización de las muestras de cortes tercera sección receta 1 ... 84

Tabla 42. Dimensiones de la Tolva ... 87

Tabla 43. Especificaciones de Zarandas... 89

Tabla 44. Especificaciones para Hidrociclones ... 89

Tabla 45. Especificaciones para Centrifugas Decantadoras ... 90

Tabla 46. Precio de los materiales utilizados para cada mezcla ... 92

Tabla 47. Precio de los materiales utilizados para la mezcla 1 ... 92

Tabla 51. Análisis de Varianza PH zaranda primera sección ... 97

Tabla 52. Coeficiente de Regresión PH zaranda primera sección ... 97

Tabla 53. Valor óptimo PH zaranda primera sección ... 99

Tabla 54. Análisis de varianza Conductividad Zaranda primera sección ... 99

Tabla 55. Coeficiente de regresión conductividad zaranda primera sección ... 99

Tabla 56. Valor óptimo conductividad zaranda primera sección ... 101

Tabla 57. Análisis de varianza de Bario zaranda primera sección ... 101

Tabla 58. Coeficiente de regresión de bario zaranda primera sección ... 101

Tabla 59. Valor óptimo de bario zaranda primera sección ... 103

Tabla 60. Análisis de varianza de Cadmio zaranda primera sección ... 103

Tabla 61. Coeficiente de regresión de cadmio, zaranda primera sección ... 103

Tabla 62. Valor óptimo de cadmio, zaranda primera sección ... 105

Tabla 63. Análisis de varianza de cromo, zaranda primera sección ... 105

Tabla 64. Coeficiente de regresión de cromo, zaranda primera sección ... 105

Tabla 66. Análisis de varianza de vanadio, zaranda primera sección ... 107

Tabla 67. Coeficiente de regresión de vanadio, zaranda primera sección ... 107

Tabla 68. Valor óptimo de vanadio, zaranda primera sección ... 109

(13)

Tabla 69. Análisis de varianza de PH, zaranda segunda sección ... 109

Tabla 70. Coeficiente de regresión de PH, zaranda segunda sección ... 109

Tabla 71. Valor óptimo de PH, zaranda segunda sección ... 111

Tabla 72. Análisis de varianza de conductividad, zaranda segunda sección. ... 111

Tabla 74. Valor óptimo de conductividad, zaranda segunda sección ... 113

Tabla 75. Análisis de varianza de bario, zaranda segunda sección ... 113

Tabla 76. Coeficiente de regresión de bario, zaranda segunda sección ... 113

Tabla 77. Valor óptimo de bario, zaranda segunda sección ... 115

Tabla 78. Análisis de varianza de Cadmio, zaranda segunda sección ... 115

Tabla 79. Coeficiente de regresión de cadmio, zaranda segunda sección ... 115

Tabla 80. Valor óptimo de cadmio, zaranda segunda sección ... 117

Tabla 81. Análisis de varianza de cromo, zaranda segunda sección ... 117

Tabla 82. Coeficiente de regresión de cromo, zaranda segunda sección ... 117

Tabla 83. Valor óptimo de cadmio, zaranda segunda sección ... 119

Tabla 84. Análisis de varianza de vanadio, zaranda segunda sección ... 119

Tabla 85. Coeficiente de regresión de vanadio, zaranda segunda sección ... 119

Tabla 86. Valor óptimo de Vanadio, zaranda segunda sección ... 121

Tabla 87. Análisis de varianza de PH, zaranda tercera sección ... 121

Tabla 88. Coeficiente de regresión de PH, zaranda tercera sección ... 121

Tabla 89. Valor óptimo de PH, zaranda tercera sección ... 123

Tabla 90. Análisis de Varianza de conductividad, zaranda tercera sección ... 123

Tabla 91. Coeficiente de regresión de conductividad, zaranda tercera sección ... 123

Tabla 92. Valor óptimo de conductividad, zaranda tercera sección ... 125

Tabla 93. Análisis de varianza de bario, zaranda tercera sección ... 125

Tabla 94. Coeficiente de regresión de bario, zaranda tercera sección ... 125

Tabla 95. Valor óptimo de bario, zaranda tercera sección ... 127

Tabla 96. Análisis de varianza de cadmio, zaranda tercera sección ... 127

Tabla 97. Coeficiente de regresión de cadmio, zaranda tercera sección ... 127

Tabla 98. Valor óptimo de cadmio, zaranda tercera sección ... 129

Tabla 99. Análisis de varianza de cromo, zaranda tercera sección ... 129

Tabla 100. Coeficiente de regresión de cadmio, zaranda tercera sección ... 129

Tabla 101. Valor óptimo de cadmio, zaranda tercera sección ... 131

Tabla 102. Análisis de varianza de vanadio, zaranda tercera sección ... 131

(14)

Tabla 107. Valor óptimo de PH, cortes primera sección ... 135

Tabla 108. Análisis de varianza de conductividad, cortes primera sección ... 135

Tabla 109. Coeficiente de regresión de conductividad, cortes primera sección... 135

Tabla 110. Valor óptimo de conductividad, cortes primera sección ... 137

Tabla 111. Análisis de varianza de bario, cortes primera sección ... 137

Tabla 112. Coeficiente de regresión de bario, cortes primera sección ... 137

Tabla 113. Valor óptimo de bario, cortes primera sección ... 139

Tabla 114. Análisis de varianza de cadmio, cortes primera sección ... 139

Tabla 115. Coeficiente de regresión de cadmio, cortes primera sección ... 139

Tabla 116. Valor óptimo de cadmio, cortes primera sección ... 141

Tabla 117. Análisis de varianza de cromo, cortes primera sección ... 141

Tabla 118. Coeficiente de regresión de cromo, cortes primera sección ... 141

Tabla 119. Valor óptimo de cromo, cortes primera sección... 143

Tabla 120. Análisis de varianza de vanadio, cortes primera sección ... 143

Tabla 121. Coeficiente de regresión de vanadio, cortes primera sección ... 143

Tabla 122. Valor óptimo de vanadio, cortes primera sección ... 145

Tabla 123. Análisis de varianza de PH, cortes segunda sección ... 145

Tabla 124. Coeficiente de regresión de PH, cortes segunda sección ... 145

Tabla 125. Valor óptimo de PH, cortes segunda sección ... 147

Tabla 126. Análisis de varianza de conductividad, cortes segunda sección... 147

Tabla 127. Coeficiente de regresión de conductividad, cortes segunda sección ... 147

Tabla 128. Valor óptimo de conductividad, cortes segunda sección ... 149

Tabla 129. Análisis de varianza de Bario, cortes segunda sección ... 149

Tabla 130. Coeficiente de regresión de bario, cortes segunda sección ... 149

Tabla 131. Valor óptimo de bario, cortes segunda sección ... 151

Tabla 132. Análisis de varianza de cadmio, cortes segunda sección ... 151

Tabla 133. Coeficiente de regresión de cadmio, cortes segunda sección ... 151

Tabla 134. Valor óptimo de cadmio, cortes segunda sección ... 153

Tabla 135. Análisis de varianza de cromo, cortes segunda sección ... 153

Tabla 136. Coeficiente de regresión de cromo, cortes segunda sección ... 153

Tabla 137. Valor óptimo de cromo, cortes segunda sección ... 155

Tabla 138. Análisis de varianza de vanadio, cortes segunda sección ... 155

Tabla 139. Coeficiente de regresión de vanadio, cortes segunda sección ... 155

Tabla 140. Valor óptimo de vanadio, cortes segunda sección ... 157

Tabla 141. Análisis de varianza de PH, cortes tercera sección ... 157

Tabla 142. Coeficiente de regresión de PH, cortes tercera sección ... 157

Tabla 143. Valor óptimo de PH, cortes tercera sección ... 159

(15)

Tabla 144. Análisis de varianza de conductividad, cortes tercera sección ... 159

Tabla 145. Coeficiente de regresión de conductividad, cortes tercera sección ... 159

Tabla 146. Valor óptimo de conductividad, cortes tercera sección ... 161

Tabla 147. Análisis de varianza de bario, cortes tercera sección ... 161

Tabla 148. Coeficiente de regresión de bario, cortes tercera sección ... 161

Tabla 149. Valor óptimo de bario, cortes tercera sección ... 163

Tabla 150. Análisis de varianza de cadmio, cortes tercera sección ... 163

Tabla 151. Coeficiente de regresión de cadmio, cortes tercera sección ... 163

Tabla 152. Valor óptimo de cadmio, cortes tercera sección... 165

Tabla 153. Análisis de varianza de cromo, cortes tercera sección ... 165

Tabla 154. Coeficiente de regresión de cromo, cortes tercera sección ... 165

(16)

LISTA DE FIGURAS

Pág.

Figura 1. Equipo de Control de Sólidos... 33

Figura 2. Componentes básicos de las zarandas vibradoras ... 34

Figura 3. Tipos de movimientos de zarandas ... 35

Figura 4. Movimiento lineal ... 35

Figura 5. Zarandas de movimiento lineal ... 36

Figura 6. Movimiento Circular... 36

Figura 7. Zaranda de movimiento circular ... 37

Figura 8. Movimiento elíptico ... 37

Figura 9. Movimiento Elíptico ... 38

Figura 10. Malla de zaranda simple ... 38

Figura 11. Malla de zaranda múltiple ... 39

Figura 12. Configuración de la cubierta ... 40

Figura 13. Configuración de la Cubierta ... 40

Figura 14. Tramados comunes de mallas ... 41

Figura 15. Tipos de mallas ... 42

Figura 16. Malla en forma piramidal ... 43

Figura 17. Funcionamiento de un hidrociclón ... 48

Figura 18. Tipo de descarga de un hidrociclón ... 50

Figura 19. Desarenador ... 51

Figura 20. Deslimador ... 52

Figura 21. Estructura interna de la centrifuga decantadora ... 53

Figura 22. Centrífuga decantadora ... 53

Figura 23. Proceso de coagulación ... 54

Figura 24. Proceso de floculación ... 55

Figura 25. Tipos de Zeolitas ... 60

Figura 26. Carbón activado ... 61

Figura 21. Diseño Experimental ... 66

Figura 28. Diagrama de bloque del Diseño del Sistema de Control de Sólidos ... 70

(17)

Figura 29. P&I sistema de control de sólidos ... 71

Fig. 30. Esquema de la Tolva ... 86

Figura. B.1. Zeolita verde... 181

Figura. B.2. Zeolita Crema ... 181

Figura. C.1. Polisilicato de Sodio y Potasio ... 182

Figura. C.2. Lignina Natural ... 182

Figura. D.1. Carbón activado ... 183

Figura. E.1. Filtración de lixiviados ... 184

Figura. E.2. Cortes y ripios de perforación ... 184

(18)

LISTA DE GRÁFICOS

Pág.

Gráfico 1. Bario vs. Tiempo de Zaranda Primera Sección ... 94

Gráfico 2. Bario vs. Tiempo de Cortes Primera Sección ... 94

Gráfico 3. Bario vs. Tiempo de Zaranda Segunda Sección ... 95

Gráfico 4. Bario vs. Tiempo de Cortes Segunda Sección ... 95

Gráfico 5. Bario vs. Tiempo de Zaranda Tercera Sección ... 96

Gráfico 6. Bario vs. Tiempo de Cortes Tercera Sección ... 96

Gráfico 7. Grafica de efectos principales para PH, zaranda primera sección ... 98

Gráfico 8. Superficie de respuesta estimada para PH, zaranda primera sección ... 98

Gráfico 9. Grafica de efectos principales para conductividad, zaranda primera sección ... 100

Gráfico 10. Superficie de respuesta estimada para Conductividad, zaranda primera sección .. 100

Gráfico 11. Grafica de efectos principales para bario, zaranda primera sección ... 102

Gráfico 12. Superficie de respuesta estimada para bario, zaranda primera sección ... 102

Gráfico 13. Grafica de efectos principales para cadmio, zaranda primera sección ... 104

Gráfico 14. Superficie de respuesta estimada para Cadmio, zaranda primera sección ... 104

Gráfico 15. Grafica de efectos principales para Cromo, zaranda primera sección ... 106

Gráfico 16. Superficie de respuesta estimada para Cromo, zaranda primera sección ... 106

Gráfico 17. Grafica de efectos principales para Vanadio, zaranda primera sección ... 108

Gráfico 18. Superficie de respuesta estimada para Vanadio, zaranda primera sección ... 108

Gráfico 19. Grafica de efectos principales para PH, zaranda segunda sección ... 110

Gráfico 20. Superficie de respuesta para PH, zaranda segunda sección ... 110

Gráfico 21. Grafica de efectos principales para Conductividad, zaranda segunda sección ... 112

Gráfico 22. Superficie de respuesta estimada para Conductividad, zaranda segunda sección .. 113

Gráfico 22. Grafica de efectos principales para Bario, zaranda segunda sección ... 114

Gráfico 23. Superficie de respuesta estimada para Bario, zaranda segunda sección ... 114

Gráfico 24. Grafica de efectos principales para Cadmio, zaranda segunda sección ... 116

Gráfico25. Superficie de respuesta estimada para Cadmio, zaranda segunda sección... 116

Gráfico 26. Grafica de efectos principales para Cromo, zaranda segunda sección ... 118

Gráfico 27. Superficie de respuesta estimada para Cromo, zaranda segunda sección ... 118

Gráfico 28. Grafica de efectos principales para Vanadio, zaranda segunda sección ... 120

(19)

Gráfico 29. Superficie de respuesta estimada para Vanadio, zaranda segunda sección ... 120

Gráfico 30. Grafica de efectos principales para PH, zaranda tercera sección ... 122

Gráfico 31. Superficie de respuesta estimada para PH, zaranda tercera sección ... 122

Gráfico 32. Grafica de efectos principales para Conductividad, zaranda tercera sección ... 124

Gráfico 33. Superficie de respuesta estimada para Conductividad, zaranda tercera sección .... 124

Gráfico 34. Grafica de efectos principales para Bario, zaranda tercera sección ... 126

Gráfico 35. Superficie de repuesta estimada para Bario, zaranda tercera sección ... 126

Gráfico 36. Grafica de efectos principales para Cadmio, zaranda tercera sección ... 128

Gráfico 37. Superficie de respuesta estimada para Cadmio, zaranda tercera sección ... 128

Gráfico 38. Grafica de efectos principales para Cromo, zaranda tercera sección ... 130

Gráfico 39. Superficie de repuesta estimada para Cromo, zaranda tercera sección ... 130

Gráfico 40. Grafica de efectos principales para Vanadio, zaranda tercera sección ... 132

Gráfico 41. Superficie de respuesta estimada para Vanadio, zaranda tercera sección ... 132

Gráfico 42. Grafica de efectos principales para PH, cortes primera sección ... 134

Gráfico 42. Superficie de respuesta estimada para PH, cortes primera sección ... 134

Gráfico 43. Grafica de efectos principales para conductividad, cortes primera sección ... 136

Gráfico 45. Grafica de efectos principales para bario, cortes primera sección ... 138

Gráfico 46. Superficie de respuesta estimada para bario, cortes primera sección... 138

Gráfico 47. Grafica de efectos principales para Cadmio, cortes primera sección ... 140

Gráfico 48. Superficie de respuesta para cadmio, cortes primera sección ... 140

Gráfico 49. Grafica de efectos principales para Cromo, cortes primera sección ... 142

Gráfico 50. Superficie de respuesta estimada para Cromo, cortes primera sección ... 142

Gráfico 51. Grafica de efectos principales para Vanadio, cortes primera sección ... 144

Gráfico 52. Superficie de respuesta estimada para Vanadio, cortes primera sección ... 144

Gráfico 53. Grafica de efectos principales para PH, cortes segunda sección ... 146

Gráfico 54. Grafica de efectos principales para PH, cortes segunda sección ... 146

Gráfico 55. Grafica de efectos principales para Conductividad, cortes segunda sección ... 148

Gráfico 56. Superficie de respuesta estimada para conductividad, cortes segunda sección ... 148

Gráfico 57. Grafica de efectos principales para Bario, cortes segunda sección ... 150

Gráfico 58. Superficie de respuesta para Bario, cortes segunda sección ... 150

Gráfico 59. Grafica de efectos principales para Cadmio, cortes segunda sección ... 152

Gráfico 60. Superficie de respuesta para Cadmio, cortes segunda sección ... 152

Gráfico 61. Grafica de efectos principales para Cromo, cortes segunda sección ... 154

(20)

Gráfico 66. Superficie de respuesta estimada para PH, cortes tercera sección ... 158

Gráfico 67. Grafica de efectos principales para conductividad, cortes tercera sección ... 160

Gráfico 68. Superficie de respuesta estimada para Conductividad, cortes tercera sección ... 160

Gráfico 69. Grafica de efectos principales para Bario, cortes tercera sección ... 162

Gráfico 70. Superficie es respuesta estimada para Bario, cortes tercera sección ... 162

Gráfico 71. Grafica de efectos principales para Cadmio, cortes tercera sección ... 164

Gráfico 72. Superficie es respuesta estimada para Cadmio, cortes tercera sección ... 164

Gráfico 73. Grafica de efectos principales para Cromo, cortes tercera sección ... 166

Gráfico 74. Superficie de respuesta estimada para Cromo, cortes tercera sección ... 166

Gráfico 75. Grafica de efectos principales para Vanadio, cortes tercera sección ... 168

Gráfico 76. Superficie de respuesta estimada para Vanadio, cortes tercera sección ... 168

(21)

LISTA DE ANEXOS

Pág.

ANEXOS... 179

ANEXO A. ANALISIS DE LAS ZEOLITAS POR RAYOS X ... 180

ANEXO B. ZEOLITAS ... 181

ANEXO C. POLISILICATO DE SODIO Y POTASIO, LIGNINA NATURAL ... 182

ANEXO D. CARBÓN ACTIVADO ... 183

ANEXO E. ENSAYOS ... 184

(22)

DISEÑO, CARACTERIZACIÓN Y TRATAMIENTO DE CORTES Y RIPIOS PRODUCTO DE LA PERFORACIÓN DEL CAMPO YANAQUINCHA.

RESUMEN

Se disminuyó los parámetros contaminantes de cortes y ripios producto de la perforación los cuales deben cumplir con la normativa ambiental vigente, para lo cual se realizó la caracterización de diferentes parámetros contaminantes y además del diseño del sistema de control de sólidos para incorporar el tratamiento.

Por tales razones se decide realizar un estudio de la combinación óptima de polisilicato de sodio y potasio, zeolita, carbón activado, lignina natural para contrarrestar este problema que genera un gran impacto ambiental y que a la vez nos permita el desecho de los cortes y ripios producto de la perforación dentro de los parámetros establecidos por la ley.

El trabajo se inició con la caracterización de los cortes y ripios producto de la perforación, determinándose que no cumple con las especificaciones de la norma. Con esta información se plantea el cálculo de las diferentes concentraciones de polisilicato de sodio y potasio, zeolita, lignina natural y carbón activado para ser añadidas a los cortes y ripios de perforación y los resultados fueron evaluados a diferentes días para ver su evolución en función del tiempo.

De los resultados del estudio para el tratamiento de cortes y ripios de perforación se determinó que la cantidad óptima es del 35% de zeolita, 53 % de polisilicato de sodio y potasio, 7% de lignina natural y 5 % de carbón activado para de esta manera poder disminuir los contaminantes y en función de esto también se pudo realizar el diseño del sistema de control de sólidos.

PALABRAS CLAVES: / CARACTERIZACIÓN / TRATAMIENTO / CONTAMINANTES / CORTES / RIPIOS /

(23)

DESIGN, CHARACTERISTICS AND TREATMENT OF CUTS AND PRODUCT GRAVEL FIELD DRILLING YANAQUINCHA.

SUMMARY

The parameters containing the various cuts and gravel have decreased due to the perforation on which must comply with the environmental regulations in force. The characterizing of different pollutants has been carried out along with the design of the system control of solids to incorporate the treatment.

Due to this reasons it has been decided to carry out a study in the combination of sodium potassium polysilicate, zeolite, activated carbon and natural lignin to counteract this problem that generates a great environmental impact and at the same time will allow us to discard the cuts and gravel, product of the perforation inside the parameters established by the law.

The project started with the characterizing of cuts and gravel due to the perforation, determining that it does not comply with the specifications according with the law. With this information the estimate has been planted in the various different concentrations of potassium sodium polysilicate, zeolite, natural lignin and activated carbon to be added to the cuts and gravel of perforation and the results were evaluated in different days to account for the evolution in terms of time.

The results given by the study in the treatment of cuts and gravel in perforation, has determined that the optimal quantity is of 35% of zeolite, 53% of potassium sodium polysilicate, 7% of natural lignin and 5% of activated carbon. In this manner we are able to decrease the pollutants and its functions; from this the system control of solids was also able to be designed efficiently.

KEY WORDS: / CHARACTERIZATION / TREATMENT / POLLUTANTS / CUTS /

(24)

INTRODUCCIÓN

La actividad petrolera en el Ecuador empezó en la Península de Santa Elena a inicios del siglo por una empresa inglesa, sin embargo la producción a niveles comerciales no se dio hasta el año de 1925 y su explotación en el año de 1928, durante cerca de cuarenta años la explotación de crudo se concentró en dicha península, pero las explotaciones no dieron los resultados comerciales esperados y al final de la década de los cincuenta los yacimientos estaban casi agotados, por lo que el país dejo de exportar crudo, en la década de los sesenta el gobierno otorgó a varias empresas internacionales y encontraron los primeros pozos comerciales en el Amazonía en el año de 1968 lo que reactivó en interés de compañías extranjeras, por lo que se creó una Ley de Hidrocarburos en la cual recupera la riqueza petrolera del país.

Hoy en día la industria petrolera ha generado millones de dólares lo que podría cambiar el panorama económico del país, pero a su vez también produce daños al ambiente y a los seres vivos que habitan en la Amazonía los cuales son irreversibles, por lo que se ha comprometido a las diferentes empresas petroleras a reducir los impactos ambientales para generar un desarrollo sustentable con miras a conservar la naturaleza y a la vez aportar al desarrollo del mismo.

Este proyecto se justifica en la necesidad de tratar los cortes y ripios producto de la perforación de pozos petroleros, los cuales deben cumplir con el Reglamento Ambiental para las Operaciones hidrocarburiferas (RAOH) Decreto 1215 del 13 de febrero del 2001.

El objetivo del presente trabajo es encontrar la mezcla óptima de polisilicato de sodio y potasio, zeolita, carbón activado y lignina natural que nos permita reducir de manera significativa el contenido de bario presente en los cortes y ripios producto de la perforación y de esta manera combatir el impacto ambiental.

Para llevar a cabo este trabajo se contó con muestras de cortes y ripios producto de la perforación de tres secciones del pozo y se realizó las respectivas mezclas y se medió el contenido de bario a días determinados y se observó el cambio de este en función del tiempo.

La medición del contenido de bario se encargó un laboratorio acreditado por la OAE el cual lo realiza mediante la aplicación de la norma EPA 1311 (TCLP), el cual es un método de extracción de muestra de suelo para el análisis químico, empleado como un método analítico para simular la lixiviación.

(25)

Una vez obtenidos los resultados procedentes de los ensayos mencionados anteriormente se realizó un análisis estadístico entre las muestras de cortes y ripios de perforación sin tratamiento y las muestras de cortes y ripios con tratamiento en cada una de sus proporciones con el fin de apreciar de mejor manera la variación del contenido de bario en cada muestra.

Una vez obtenido la mezcla óptima de polisilicato de sodio y potasio, zeolita, carbón activado y lignina natural, podemos realizar el nuevo diseño del equipo de control de sólidos para la aplicación del tratamiento a los cortes y ripios producto de la perforación.

(26)

1. MARCO TEÓRICO

1.1. Fundamentación Teórica 1.1.1. Pozo petrolero

Los lodos de perforación son una mezcla de arcillas, agua y productos químicos utilizados en las operaciones de perforación los cuales nos sirven para lubricar y enfriar la broca de perforación, para elevar hasta la superficie el material que va cortando la broca, para evitar el colapso de las paredes del pozo y para mantener bajo control el flujo ascendente del aceite o el gas. Es circulado en forma continua hacia abajo por la tubería de perforación y hacia arriba hasta la superficie por el espacio entre la tubería de perforación y la pared del pozo. (1)

1.1.2. Perforación

Luego de la prospección sísmica, y una vez que se inicia la perforación, se empieza a generar desechos contaminantes, siendo los más importantes los cortes y lodos de perforación.

Durante la perforación básicamente se tritura la roca, a profundidades que pueden llegar hasta unos 6 kilómetros, produciendo un tipo de desechos llamados cortes de perforación.

Los cortes de perforación están compuestos de una mezcla heterogénea de rocas, cuya composición depende de la estratología local, que puede incluir metales pesados, substancias radioactivas u otros elementos contaminantes. Puede contener en mayor o menor grado por hidrocarburos, son pues agentes contaminantes.

Entre mayor es la profundidad a la que se perfora, se generan mayor cantidad de desechos, los mismos que contienen niveles más altos de toxicidad. En la perforación se utiliza los lodos de perforación, que puede ser en base agua a aceite. (2)

1.1.3. Lodo de Perforación

Los lodos de perforación son una mezcla de arcillas, agua y productos químicos utilizados en las operaciones de perforación los cuales nos sirven para lubricar y enfriar la broca de perforación, para elevar hasta la superficie el material que va cortando la broca, para evitar el colapso de las paredes del pozo y para mantener bajo control el flujo ascendente del aceite o el gas. Es circulado en forma continua hacia abajo por la tubería de perforación y hacia arriba hasta la superficie por el espacio entre la tubería de perforación y la pared del pozo.

1.1.4. Cortes y ripios de perforación

Los cortes y ripios son producto de los procesos de perforación de pozos petroleros, y que se forman de todos los sólidos contenidos en el fluido de perforación agregados para mantener las

(27)

propiedades físico – químicas del fluido, mas todos los cortes o partículas que se desprenden de la formación al perforar y que son arrastrados a la superficie por la fuerza ejercida del lodo en el hueco.

Los cortes y ripios de perforación se clasifican por su tamaño y por su densidad.

1.1.4.1. Clasificación de los sólidos por su tamaño

Esta clasificación es una de las bases para el diseño de los equipos que conforman el control de sólidos ya que estos se basan en el tamaño de las partículas para remover los sólidos y se clasifican en cortes y ripios de perforación.

 Ripios de perforación

Se denomina ripios de perforación a las rocas molidas por el taladro que son atraídas a las superficie por los fluidos y se los separa en las zarandas, primera línea de defensa en el sistema de control de sólidos, los cuales poseen un diámetro de 2000 a 4000 micras y generalmente están compuestas de areniscas, arcillas, lutitas, carbonatos y haluros.

 Cortes de perforación

Los cortes de perforación son los pedazos más pequeños de la formación perforada por la broca y que el fluido devuelve a la superficie.

Estos cortes se los obtiene de la separación mecánica de las centrifugas después del sistema de control de sólidos, las cuales son parte del sistema de dewatering, su diámetro suele ser de tamaño coloidal. (3)

Tabla 1. Clasificación API con respecto al tamaño de partícula Tamaño de las

partículas (micrones)

Clasificación de las partículas

Tamaño del tamiz

Mayor a 2000 Grueso 10

2000-250 Intermedio 60

250-74 Medio 200

74-44 Fino 325

44-2 Ultra fino ---

2-0 Coloidal ---

Fuente: Baker, Fluidos Manual de Ingeniería

(28)

1.1.5. Clasificación de los sólidos por su densidad

 Sólidos de alta densidad específica, es decir mayores a 4.2 (materiales densificantes).

 Sólidos de baja densidad específica, los cuales se encuentran entre 1.6 a 2.9, estos contienen arena, arcilla, carbonato de calcio, dolomita, lutitas y otros más. (4)

Tabla 2. Densidad específica de materiales comunes en los campos petroleros Tipo de Sólido Densidad Específica

Galena 6,5

Hematita 5

Barita 4,0-4,5

Caliza 2,7-2,9

Arena 2,6-2,7

Bentonita 2,3-2,7

Sólidos Perforados 2,0-3,0

Agua (dulce) 1

Aceite Diesel 0,85

ISO-TEQ 0,792

Fuente: Baker, Fluidos Manual de Ingeniería

1.1.6. Contaminación

La contaminación es cualquier sustancia o forma de energía que puede provocar algún daño o desequilibrio en un ecosistema, en el medio físico o en un ser vivo. Es siempre una alteración negativa del estado natural del medio ambiente y por tanto, se genera como consecuencia de la actividad humana.

Para que exista contaminación, la sustancia contaminante deberá estar en cantidad suficiente como para provocar ese desequilibrio. Esta cantidad relativa puede expresarse como la masa de la sustancia introducida en relación con la masa o el volumen del medio receptor de la misma.

Por su consistencia, los contaminantes se clasifican en:

 Sólidos

 Líquidos

 Gaseosos

 Agentes Sólidos

Están constituidos por la basura en sus diversas presentaciones, provocan contaminación del suelo, del aire y del agua. Del suelo por que producen microorganismos y animales dañinos; del aire por que producen mal olor y gases tóxicos y del agua por que la ensucia y no puede utilizarse.

(29)

 Agentes Líquidos

Incluyen las aguas negras, los desechos industriales, los derrames de combustibles derivados del petróleo, los cuales dañan básicamente el agua de ríos, mares y océanos, y con ello provocan la muerte de diversas especies.

 Agentes Gaseoso

Incluyen la combustión del petróleo (óxido de nitrógeno y azufre) y la quema de combustibles como la gasolina (que libera monóxido de carbono), la basura y los desechos de plantas y animales.

Todos los agentes contaminantes provienen de una fuente determinada y puede provocar enfermedades respiratorias y digestivas.

Se denomina contaminación atmosférica o contaminación ambiental a la presencia en el ambiente de cualquier agente (físico, químico o biológico) o bien de una combinación de varios agentes en lugares, formas y concentraciones tales que sean o puedan ser nocivos para la salud, para la seguridad o para el bienestar de la población o que puedan ser perjudiciales para la vida vegetal o animal, o que impidan el uso habitual de las propiedades y lugares de recreación.

La contaminación es también la incorporación a los cuerpos receptores de sustancias sólidas, líquidas o gaseosas o de mezclas de ellas, siempre que alteren desfavorablemente las condiciones naturales de los mismos o que puedan afectar la salud, la higiene o el bienestar del

público. (5)

(30)

2. DISEÑO DEL SISTEMA DE CONTROL DE SÓLIDOS

2.1. Remoción de Cortes y Ripios de Perforación

Durante la perforación de un pozo, los sólidos constituyen el principal contaminante de los fluidos de perforación, los cuales se van incorporando al fluido, y a medida que se van recirculando su tamaño disminuye lo cual dificulta la descarga del sistema.

El objetivo general del Control de Sólidos es la remoción de cortes y ripios producto de la perforación, esta remoción se alcanza paso a paso y es progresiva de manera que permite que cada equipo optimice el desempaño de los siguientes equipos. Además el sistema debe permitir el ajuste del mismo para eliminar los sólidos indeseables y recuperar el valioso material densificante.

El Control de Sólidos propiamente aplicado busca:

 Maximizar la extracción de cortes y ripios de perforación

 Minimizar la perdida de lodo

 Devolver un lodo limpio al pozo a través del sistema activo

 Minimizar la dilución con lodo

 Disminuir el costo total de operación

 Disminuir el impacto ambiental es una de las funciones as importantes del Sistema de Control de Sólidos al generar menor volumen total de desechos y menor humedad en estos para facilitar su manejo.

2.2. Mecanismos de Control de Sólidos

Los equipos utilizados en el control de sólidos se basan en la Ley de Stokes, la cual se basa en la velocidad de asentamiento de las partículas. Dichas partículas son separadas secuencialmente desde tamaños de arena a limo de arcilla (coloidales).

Los principales métodos para el control de sólidos son los siguientes:

 Dilución o desplazamiento

 Sedimentación

 Método mecánico

2.2.1. Dilución o desplazamiento

(31)

El método de dilución consiste en la disminución de la concentración de cortes y ripios presentes en el fluido de perforación mediante la adición de un nuevo lodo para mantener la densidad del sistema del lodo a medida que se va perforando.

Las principales funciones de la dilución son:

 Reducir la concentración de sólidos dejados por un equipo mecánico de remoción de sólidos.

 Reemplazar los líquidos perdidos cuando se han usado equipos mecánicos de control de sólidos. (6)

Al agregar fluido nuevo al sistema para mantener sus propiedades físico-químicas indica un incremento del contenido de sólidos lo cual nos puede traer como consecuencia la generación de volúmenes excesivos y entonces los costos de descarte y limpieza podrán ser muy grandes.

El costo de dilución en comparación con las otras técnicas de control de contenido de sólidos es alto por lo que es importante contar con un medidor de flujo de líquido para poder analizar y optimizar el comportamiento del sistema.

El método del desplazamiento consiste en retirar los contaminantes existentes en el fluido sin la utilización de químicos, este es el método más costoso de control de sólidos y se lo considera como la última opción. (7)

2.2.2. Sedimentación

El método de sedimentación se lo utiliza para separar sólidos de gran tamaño y además se requiere de grandes espacios y de un mayor tiempo de separación de los ripios producto de la perforación.

2.2.3. Método mecánico

Durante la perforación de un pozo es necesario retirar la mayor cantidad de sólidos presentes en el sistema para poder reutilizar el fluido de perforación.

Este método se lleva a cabo mediante la utilización de varios equipos los cuales cumplen una función específica dentro del sistema de separación.

La separación que se realiza es selectiva ya que los cortes y ripios producto de la perforación se separan del fluido mediante diferencia de tamaños y pesos, además el sistema debe tener la habilidad para diferenciar entre los sólidos perforados y el valioso material pesante del fluido de

(32)

demás propiedades físico-químicas; a la vez que pueden representar costos altos en el caso de que se presenten problemas por la no remoción de los sólidos del sistema. (8)

El método mecánico se lo considera como el más económico si se realiza una instalación adecuada de los equipos puede llegar a realizar una separación efectiva de los cortes y ripios del lodo.

El método de remoción de sólidos se puede dividir en tres partes principales

 La sección de remoción, donde se lleva a cabo la separación de los cortes y ripios producto de la perforación por medio de los equipos que deben estar instalados de una forma secuencial de tal forma que se pueda separar los sólidos por su diámetro. En esta sección tenemos los siguientes procesos en el orden de mayor a menor diámetro de remoción, las mallas que son la primera línea de defensa, la centrifuga que mueven partículas más finas aprovechando la Ley de Stokes para aumentar la fuerza G, los acondicionadores de lodo y sistemas de recuperación de fluido.

 La sección de aditivos donde se agrega químicos a los cortes y ripios de perforación para lograr los efectos de floculación, coagulación y ajuste de pH.

 la sección de succión y pruebas que es donde se toman las muestras para medir que los cortes y ripios cumplan con la Normativa Ambiental y se despacha el fluido separado de los cortes y ripios para integrarlo nuevamente en el sistema activo de lodos de perforación.

2.2.4. Equipo de control de sólidos

La combinación más óptima de equipos de control de sólidos depende del tamaño y tipo de partícula a separar.

Es importante optimizar la remoción de sólidos del sistema de fluidos durante la perforación para minimizar los costos de dilución del lodo y reducir la cantidad de líquido y sólidos generados.

Cada pieza del equipo del sistema de control de sólidos, desde las zarandas hasta las centrifugas son de suficiente capacidad para el manejo de los volúmenes utilizados durante la perforación.

Dentro de los equipos que comprenden el control de sólidos están:

 Zarandas Vibradoras

 Hidrociclones

 Desarenadores

 Deslimadores

 Centrifugas

 Deshidratación

(33)

Figura 1. Equipo de Control de Sólidos

2.2.4.1. Zaranda Vibradoras

Las zarandas vibratorias es el más importante dispositivo del control de sólidos, y son la primera línea de defensa contra el aumento del contenido de sólidos en el fluido de perforación y estas eliminan las partículas sólidos de mayor tamaño y evitar su degradación en partículas más pequeñas.

A este dispositivo se lo puede describir como un separador vibratorio con tamices usados para remover sólidos de perforación del fluido.

Las zarandas tienen un depósito debajo del panel vibrador para recolectar el fluido de perforación limpio y retornarlo al sistema de lodo, mientras tanto, los sólidos se quedan retenidos por las aberturas de las mallas del tamiz, las cuales son más pequeñas que el diámetro de los sólidos de mayor tamaño, para posteriormente ser descargados y desechados luego de pasar por las zarandas.

(34)

Manejan el 100% del flujo de lodo y pueden remover grava, arena gruesa y fina con mallas de 24 mesh a 325 mesh y a demás pueden producir ripios relativamente secos.

2.2.4.1.1. Componentes básicos de las zarandas vibradoras

Figura 2. Componentes básicos de las zarandas vibradoras

2.2.4.1.2. Principios de Operación

La operación de las zarandas están en función de:

 Norma de vibración

 Dinámica de la vibración

 Tamaño de la cubierta y su configuración

 Características de las mallas (mesh y condición de la superficie)

 Reología del lodo (especialmente densidad y viscosidad)

 Ritmo de la carga del sólido (9)

a. Norma de vibración

La posición de los vibradores determina el patrón de vibración. Existen tres tipos comunes de movimientos de las zarandas que pueden ser conminados en cascada para producir una mejor eficiencia de remoción de sólidos.

 Movimiento circular

 Movimiento lineal

 Movimiento elíptico (10)

(35)

Figura 3. Tipos de movimientos de zarandas

 Zarandas de Movimiento Lineal

Las zarandas de movimiento lineal son más versátiles y comúnmente utilizada, produciendo una fuerza G bastante alta y un transporte medianamente rápido de los ripios, el cual está en función de:

 Velocidad rotacional

 Angulo de cubierta

 Posición de la malla

El movimiento lineal se lo obtiene usando dos vibradores contra-rotativos

El patrón de vibración balanceado dinámicamente. La fuerza neta en la canasta es cero excepto a lo largo de la línea que pasa por el centro de gravedad.

El ángulo de esta línea de movimiento es normalmente de 45 a 50 grados en relación a la superficie de la zaranda para obtener un transporte de sólidos máximo. (11)

(36)

Figura 5. Zarandas de movimiento lineal

 Zaranda de Movimiento Circular

Este tipo de zaranda es la más antigua y tiene una baja fuerza G y produce un transporte rápido, este diseño es eficaz con los sólidos pegajosos de tipo arcilloso, al reducir el impacto que estos sólidos tienen sobre la superficie de la malla.

Su canasta se mueve en un movimiento circular uniforme, presenta un patrón de vibración variable y su diseño es en forma horizontal con capacidad limitada, los vibradores se encuentran colocados a cada lado de la canasta, en su centro de gravedad con el eje rotacional perpendicular a la canasta (12)

Figura 6. Movimiento Circular

(37)

Figura 7. Zaranda de movimiento circular

 Zaranda de movimiento elíptico

Es la versión modificada de la zaranda de movimiento circular, en la cual se levanta el centro de gravedad por encima de la cubierta y se usan contrapesos para producir el movimiento

“oviforme” cuya intensidad y desplazamiento vertical varían a medida que los sólidos bajan por la cubierta.

Tiene una fuerza G moderadamente alta y un transporte lento en comparación con los tipos circulares o lineales, este tipo de zaranda produce un mayor secado. (13)

Patrón de vibración desbalanceado, existen diferentes tipos de movimientos sobre la canasta, los viradores no rotan en el centro de gravedad de la zaranda aplicándose el torque sobre esta.

Este tipo de zaranda es operada con inclinación hacia la descarga de sólidos disminuyendo la capacidad.

(38)

Figura 9. Movimiento Elíptico

Se puede combinar varias zarandas en cascada para obtener una mayor eficiencia de remoción de sólidos. Por tal motivo las zarandas pueden ser simples o múltiples.

 Zaranda Simple

Las zarandas simples pueden estar en cascada o ser de tres tamices estándar, se coloca en primer lugar los tamices finos para descartar sólidos y los gruesos al final para secar mejor los ripios y así tener una menor perdida de fluido. (14)

Figura 10. Malla de zaranda simple

 Zaranda Múltiples

Las zarandas múltiples los tamices se disponen uno encima de otro utilizando los tamices más gruesos encima y los más finos abajo. (15)

(39)

Figura 11. Malla de zaranda múltiple

b. Dinámica de vibración

La masa de los contrapesos y la frecuencia determina la dinámica de la vibración

 Aceleración

(1) La mayoría de las zarandas operan con fuerzas G´s entre 2.5 a 5. La capacidad de flujo y secado de cortes es directamente proporcional a la aceleración. Las zarandas con contrapesos ajustables pueden variar la fuerza G aplicada, pero, la vida dl equipo y de la malla es inversamente proporcional a la aceleración.

 Frecuencia

Los vibradores de las zarandas giran normalmente con RPM´s entre 1200 y 1800 a 60Hz. La prolongación del golpe varía en forma inversa con los RPM.

Longitud del golpe: Distancia vertical de desplazamiento de la canasta de la zaranda. (16)

c. Configuración de la cubierta

La cubierta de ángulo ajustable se creó para optimizar el procesamiento de fluido y variar la acción de transporte y secado de los cortes.

Al usar ángulos mayores a 3 hay que tener cuidado con los cortes acumulados en la región líquida. La acción vibratoria y la residencia extendida generan más finos. (17)

G’s = [Stroke (in) x RPM²] / 70400

(40)

Figura 12. Configuración de la cubierta

Figura 13. Configuración de la Cubierta

d. Mallas y tamices

La cantidad de sólidos removidos por las zarandas vibratorias depende principalmente de la malla del tamiz ya que mientras más fina sea la malla se podrá lograr una mayor remoción de sólidos, en conclusión las zarandas son buenas como lo sean el tamaño y la calidad del tamiz.

Una de las principales funciones de las mallas de las zarandas es transmitir las vibraciones y la fuerza G a los ripios y fluidos de perforación y alcanzar un buen rendimiento.

(41)

 Vida del tamiz

Esta se basa en el diámetro del alambre del tamiz y el soporte del mismo en la cama vibratoria.

La malla generalmente se elabora con alambres que se encuentran en un rango de 0.028 mm a 0.710 mm y son de acero inoxidable de grado 304 ó 316. En cuanto al tamaño de la malla, van desde malla 8 (2360 micrones) hasta malla 400 (37 micrones).

La vida del tamiz depende en gran medida de la frecuencia de vibración de la cama vibratoria.

Las frecuencias de vibración generalmente disponibles para las aplicaciones de perforación son 1200 VPM (vibraciones por minuto), 1500VPM, 1800 VPM. (18)

 Tamaño de la malla

Se refiere al número de aberturas que tienen el tamiz por pulgada lineal. La descripción del tipo de tamiz se hace en función de dicho número y según él se conoce el tipo de malla a utilizarse.

Si se tiene un tamiz cuadrado de malla 30x30, quiere decir que tiene 30 aberturas a lo largo de una pulgada en ambas direcciones. Mientras que con un tamiz oblongo de malla 70x30 (abertura rectangular), se quiere decir que se tiene 70 aberturas a lo largo de una pulgada en una dirección, y 30 en la otra (perpendicular). Según el fabricante se puede conocer el mismo tipo de tamiz bajo diferentes nombres y muchas veces se nombre un tamiz según su área cuadrada, para intentar describir una malla rectangular. (19)

Figura 14. Tramados comunes de mallas

 Área de abertura

Se refiere al área efectiva abierta de la malla, o el área total de la malla que no está bloqueada

(42)

(2)

 Tipos de tamiz

Los tamices que se utilizan hoy en día se diferencian según la construcción o diseño, y finura de la malla. La finura de la malla determinará el porcentaje de área abierta mientras que, según su diseño las mallas se construyen de tipo bidimensional y tridimensional. Los tamices bidimensionales se puede clasificar en:

 Tamiz de paneles: con dos o tres capas unidas en cada lado por una tira de una pieza en gancho doblada en dos.

 Tamiz de chapas perforadas: con dos o tres capas unidas a una chapa metálica perforada que proporciona sostén y es fácil de reparar.

Figura 15. Tipos de mallas

Los tamices tridimensionales son mallas de chapa perforada con una superficie corrugada que corre paralelamente al flujo del fluido. Esta configuración proporciona mayor área de separación que la configuración de la malla bidimensional. Los diferentes tipos de tamices tridimensionales son:

a) Pirámide b) Meseta

Además del diseño del tamiz se debe considerar el tipo de tejido de la malla, ya que se cuenta con tejidos de mallas estándar utilizados específicamente para la industria petrolera, tales como el tejido cuadrado simple, tejido cuadrado cruzado, tejido rectangular simple y tejido rectangular especial. Por otra parte, el tamiz puede ser configurado en una sola capa, con respaldo o en múltiples capas con respaldo. La combinación de todas estas diferentes configuraciones de mallas y capas se efectúa con el propósito de maximizar las características de separación potencias y manejo volumétrico de la malla. (21)

(43)

Figura 16. Malla en forma piramidal

 Inclinación de la canasta

Para obtener la mayor remoción de partículas del sistema, se debe extender la mayor cantidad posible de fluido sobre la superficie del tamiz, para lo cual se utilizan unas compuertas de control de alimentación que se encuentran entre el “falso vientre” y la superficie del tamiz.

Sin embargo, para lograr una remoción efectiva de partículas, la canasta de la zaranda debe tener una inclinación óptima, buscando que el fluido de retorno se extienda hasta dentro de un pie del extremo del tamiz, ya que esta es la condición ideal para lograr la mayor remoción de sólidos indeseables. Los cambios en la inclinación de la canasta afectan la velocidad de marcha del fluido y el tiempo de retención. Según la posición de la canasta se obtiene las siguientes características en la remoción de sólidos.

Aumento de la inclinación: Si la inclinación es cuesta abajo, aumenta la velocidad de marcha del fluido y disminuye el tiempo de retención, por lo cual los ripios se descargan más húmedos y se maneja un mayor caudal de fluido. Si la inclinación es cuesta arriba (se recomienda máximo 3 grados), el sólido se mueve lentamente hacia delante y el sólido se descarga muy seco, lo cual favorecen a la degradación de tamaño de sólido a partículas de menor tamaño.

Disminución de la inclinación: Mientras más cercana es la posición horizontal, se reduce la velocidad de avance del fluido y aumenta el tiempo de retención, por lo cual el ripio se descarga más seco, pero a su vez se maneja un menor caudal de fluido.

(44)

del tamiz, y en consecuencia, pérdida de una porción significa de fluido. Para solucionar este tipo de problemas se recomienda la sustitución inmediata del tamiz por uno de malla más fina.

De esta manera se retienen los ripios para que puedan ser transportados hacia el final de la zaranda. (22)

2.2.4.1.3. Fluido de perforación

El fluido de perforación es una suspensión coloidal en base a una mezcla de arcillas, agua y productos químicos utilizados en las operaciones de perforación rotatoria. Este fluido generalmente se lo denomina como lodo de perforación y es circulado en forma continua hacia abajo por la sarta de perforación (tubería de perforación) y hacia arriba hasta la superficie por el espacio anular que hay entre la sarta de perforación y las paredes del pozo.

Las funciones más importantes del fluido son:

 Transportar los ripios de perforación del fondo del hueco hacia la superficie: dicha función dependerá de algunos factores como es la densidad del fluido, viscosidad del fluido, viscosidad del fluido en el anular, velocidad anular, densidad de los cortes y tamaño de los cortes.

 Lubricar, enfriar la broca y la sarta de perforación.

 Prevenir el derrumbamiento de paredes y controlar las presiones de las formaciones.

 Mantener en suspensión los ripios cuando se interrumpe la circulación.

 Soportar parte del peso de la sarta de perforación o del revestidor

 Prevenir daños de la formación

 Facilitar la máxima obtención de información sobre las formaciones perforadas. (23)

2.2.4.1.4. Propiedades del fluido

Las propiedades físico-químicas básicas que debe tener y controlarse en un fluido son:

 Densidad del lodo

Esta propiedad permite que todos los fluidos contenidos dentro del hoyo se queden en la formación durante la perforación. La densidad máxima del fluido está determinada por el gradiente de presión. Para evitar el paso del fluido desde la formación al hoyo, el lodo debe poseer una presión mayor a la presión de los poros. La presión del poro generalmente excede a la presión ejercida por el peso de la tierra sobre la profundidad evaluada, a esta se la conoce como presión de sobrecarga.