burros moleteados

Hematita en aplicaciones de perforación de petróleo

La hematita es un mineral utilizado en la industria de extracción de petróleo como componente en fluidos de perforación. Los fluidos de perforación a menudo son a base de agua o aceite y la adición de hematita -que al igual que los óxidos de manganeso y la barita- contribuyen a una densidad creciente en el fluido.

Esto es particularmente útil ya que las funciones principales del fluido de perforación son mantener la presión hidrostática en el sitio de perforación (para evitar que los fluidos de formación entren en el agujero), para llevar a cabo esquejes de perforación y para mantener la broca fría y relativamente libre de contaminantes durante el proceso de perforación. Los fluidos de perforación evitan los estallidos.

Los fluidos de perforación más comunes en las operaciones de extracción de petróleo son el barro a base de aceite (OBM) y el barro a base de agua (WBM). En estos «muds», el componente más importante es la arcilla bentonita, mezclada con aceite o agua, complementada con los aditivos deseados(1). La hematita es un aditivo, y se describe como un agente de ponderación. 'Mud' es un término comúnmente utilizado para describir fluidos de perforación, debido a que las arcillas son el componente más grande en una gran proporción de fluidos de perforación.

Los fluidos de perforación son esenciales en la exploración petroquímica, ya que permiten la perforación eficiente a las profundidades objetivo para alcanzar el depósito de petróleo y/o gas. La extracción de petróleo moderna sería casi imposible sin fluidos de perforación(2). Durante la perforación, se miden cinco factores clave en el barro para asegurar el éxito continuo: reología, densidad, pérdida de fluidos, contenido de sólidos y propiedades químicas. La hematita, como agente de ponderación, se ocupa principalmente del contenido de densidad y sólidos; así como la reología.

plataforma petrolera

Introducción a los agentes de ponderación

Los agentes de ponderación se añaden al fluido de perforación para permitir la modulación y optimización de un fluido de perforación para una aplicación en particular, por ejemplo a través de ciertos tipos de roca dura, o a profundidades extremas. A menudo se utilizan para mantener los niveles de densidad en el fluido, aliviando las altas presiones de formación y asegurando una consistencia en el desplazamiento de lodo y otros desechos. Como regla general, cuanto más profundo sea el aburrido, más pesador se requiere.

Barita y Manganeso

La barita, de la palabra griega barus que significa 'pesado', es el aditivo más utilizado en la perforación de petróleo como agente de ponderación(3), y es un mineral que consiste en sulfato de bario. Debido a su alta gravedad específica de 3,9 a 4,4 g/cm3,es un agente de pesaje ampliamente utilizado. El uso de barita no está exenta de problemas, sin embargo el hundimiento de Barita es un fenómeno por el cual los sólidos en suspensión en el fluido caen de la suspensión y se asientan a altas temperaturas y presiones(4), causando problemas con la perforación continua y una eventual interrupción de las operaciones. El hundimiento de barita se puede aliviar parcialmente mediante la adición de ilmenita y otros minerales de óxido metálico. Además, la demanda de barita supera con creces la producción. Por lo tanto, es imperativo que se identifiquen materiales de ponderación alternativos.

Los compuestos de manganeso, el óxido de manganeso(ii) y ii), derivados del mineral de hausmanita, también se utilizan ampliamente como agentes de ponderación. Debido a su capacidad para formar partículas esféricas pequeñas, los óxidos de manganeso representan el desafío de una mayor pérdida de partículas a altas temperaturas, lo que requiere pasos adicionales para negar(5).

hematita en forma líquida

Hematites


La hematita (óxido
de hierro rojo) es un óxido y mineral de hierro, que lleva la fórmula química Fe2O3,y una dureza de 5,5 a 6,5 en la escala Mohs. Su uso principal es como fuente de hierro para la producción de ese metal y de acero. Debido a su dureza, alta pureza natural, abundancia y bajo precio, la hematita ha encontrado usos crecientes en campos retirados de la fundición, como la producción y exploración de petróleo y gas, como parte de los fluidos de perforación.

En comparación con la barita, la hematita goza de ventajas como una gravedad específica más alta, una mayor solubilidad en medios ácidos y una tasa de desgaste general más baja - esta última debido a su dureza. Una de las afirmaciones principales de la hematita como una mejora sobre la barita, aparte de su naturaleza abundante, es que tiene una gravedad específica más alta de 4.9 a 5.3 g/cm3(6)Debido a esto, las empresas de perforación pueden utilizar menos hematita en sus soluciones de barro que la barita, y lograr los mismos resultados. Esto resulta en un menor costo para ponderar el barro, y menos partículas sólidas dispersas a través del barro. La hematita es además considerada como una buena opción para los usos de perforación, ya que es increíblemente pura y libre de contaminantes como extraído. Además, un mejor rendimiento en términos de una menor necesidad de dilución, una mayor tasa de penetración y una mayor capacidad de tolerancia a sólidos son otras cualidades asociadas con la hematita como agente de ponderación para aplicaciones de perforación(7). El uso principal de Hematite como agente de perforación en la exploración petrolera está en la perforación profunda(8).

polvo de hematita
polvo de hematita

Hematita en lodo a base de aceite

Los OOB se caracterizan por tener una fase continua a base de aceite, con agua en una fase dispersa junto con otros aditivos como emulsionantes y gelantes.

La humectación es una preocupación para la perforación de OBM. La humectación es donde el agua se adhiere a los sólidos en el barro, ya sea los agentes de ponderación o de otra manera. Los materiales propensos a la humectación pueden hacer que el exceso de agua llegue a la zona de perforación, lo que puede resultar en aglutinamiento de los sólidos, lo que conduce a graves ineficiencias en el proceso de perforación y la degradación potencial de la broca. La hematita se caracteriza como un material de baja humectación, por lo que el uso de este sobre otros materiales de ponderación garantizará una humectación menos(9).

Hematita en lodo a base de agua

En aplicaciones WBM, los lubricantes se utilizan a menudo para garantizar una perforación de alta eficiencia y para reducir la fricción y el desgaste causados por sólidos, incluidos agentes de pesaje como la hematita. Se ha encontrado que una adición de 1 por volumen de surfactante a la mezcla de barro era suficiente para reducir los coeficientes de fricción en 60 - aumentando la longevidad de la broca(10). En escenarios DE WBM, la hematita se puede utilizar en cantidades de hasta 20 en peso, con una disminución notable en la sedimentación en relación con el borita debido al alto contenido de óxido de hierro(11).

Hematita y reología

La reología se refiere al flujo de materia, y particularmente en el espacio de perforación, el flujo plástico de sólidos (esto no debe confundirse con los plásticos como materia)l. El flujo plástico es un movimiento proporcional a una fuerza aplicada, y específicamente en la exploración del petróleo, una forma o cambio de fase resultante de dicha fuerza. Las propiedades reológicas se ven profundamente afectadas por la presencia de materiales sólidos, y por lo tanto añadir hematita a un fluido tendrá un impacto en su rendimiento reológico. El tamaño de las partículas es crucial (no más de 25 m, pero a menudo mucho menos)(12). A través de múltiples estudios, la hematita ha producido valores de densidad más altos, mejor capacidad de gelificante y mayor viscosidad plástica que la barita(13), especialmente a profundidades de mandrinado profundas. Estas cualidades son continuas con exitosos proyectos de perforación de profundidad a largo plazo, lo que permite agujeros de perforación estables.

cabezal de perforación refrigerado por líquido
Perforación

Hematita, fluidos de perforación y medio ambiente

La perforación de petróleo no se conoce como la actividad más respetuosa con el medio ambiente. La propia hematita no es tóxica, pero se debe tener cuidado para no liberar demasiado fluido de perforación, particularmente en ambientes marinos, especialmente si es del tipo OBM. La barita se describe como no tóxica sólo debido a su insolubilidad en agua. Al igual que con todos los procesos industriales, la reducción de la cantidad de cualquier material utilizado es ventajosa - los residuos de perforación son el segundo flujo de residuos más grande que se origina en la exploración(14). El uso de hematita en lugar de barita o manganeso puede ayudar en esto debido a la densidad más alta antes mencionada por lo tanto menor requisito de masa.

Consideraciones al usar hematita en fluidos de perforación

La hematita es un material significativamente más duro que la barita. Como tal, la hematita puede causar desgaste en la broca y la columna en situaciones de perforación a largo plazo, además de a altas presiones. Las investigaciones han demostrado que la disminución del tamaño de las partículas de hematita, y la garantía de un rango estrecho de tamaños de partículas, causa un efecto positivo en la erosión de la broca, es decir, menos erosión con el tiempo, con plazos comparables a la barita(15). Se ha propuesto que la hematita es sólo un reemplazo suficiente para la barita si se fresa finamente a un tamaño no superior a 25 m(16).

Debido a las propiedades ventajosas de la hematita, la barita y el manganeso, en algunas situaciones se utiliza una combinación de estos materiales como materiales de ponderación. Por ejemplo, una operación de perforación puede querer aprovechar la longevidad y dureza de la hematita, la amplia inercia de la barita y las propiedades de oxidación del tetróxido de manganeso(17) para proporcionar una fase de ponderación gratuita en el barro adecuado para la composición local de sedimentos de roca/tetróxido(18).

hematita barro en el eje de perforación
Perforación

Resumen

  • Hematita se está convirtiendo rápidamente en una opción popular como agente de ponderación en fluidos de perforación para aplicaciones de producción en el sector del petróleo y el gas
  • Utilizado tanto en fluidos de barro a base de aceite como a agua, la hematita proporciona propiedades reológicas mejoradas, y una gravedad específica más alta, lo que significa que menos de ella se puede utilizar en relación con sus competidores para lograr el mismo resultado
  • La hematita es valorada por ser muy pura en el punto de ser minada y muy dura, además de ser económicamente atractiva
polvo de óxido de hierro rojo en una olla

Referencias

1 G. R. Gray et al., Componentes de fluidos de perforación, en Composición y propiedades de fluidos de perforación y finalización,7a ed., Elsevier, Cambridge, MA, Estados Unidos, 2017

2 J. M. Davies y P. F. Kingston, Fuentes de Disturbios Ambientales asociados con desarrollos de petróleo y gas en alta mar, Recursos de petróleo y gas del Mar del Norte - Impactos y respuestas ambientales,Elsevier, Londres, 1992

3 M. E. McRae, Barite 2016 Materials Yearbook, United States Geological Survey, Washington DC, 2016

4 A. Mohamed et al., Sostenibilidad, 2009, 11, 5617

5 A. M. Al Moajil et al., Evaluación de dispersantes para fluidos de perforación basados en tetraóxidode manganeso , en: IADC/SPE Asia Pacific Drilling Technology Conference and Exhibition, Tianjin, 2012

6 J. P. Rupert et al., The Effects of Weight Material Type and Mud Formation on Penetration Rate Using Invert Oil Systems, en: SPE Annual Technical Conference, San Antonio, TX, United States, 1981

7 J. Tovar et al., An Improved Hematite for Drilling Fluids, en: SPE Latin America and Caribbean Petroleum Engineering Conference,Caracas, 1999

8 S. D. Ukeles y B. Grinbaum, Fluidos de perforación, en: Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 5a ed., Wiley, Weinheim, Alemania, 2000

9 J. T. Cline et al., Preferencias de humectabilidad de los minerales utilizados en fluidosde perforación a base de petróleo , en: SPE International Symposium on Oilfield Chemistry, Houston, 1989

10 J. M. González et al., Coloides y superficies A: Physicochem. Eng. Asp., 2011, 391, 216

11 P. Ranjan y A. Dutta, Int. J. Dev. Res., 2017, 7, 16806

12 P. Xu et al., R. Soc. Abra Sci., 2018, 5, 180358

13 P. O. Ogbeide y S. A. Igbinere, FUTOJNLS, 2016, 2, 68

14 S. I. Onwukwe y M. S. Nwakaudu, Int. J. Env. Sci. Dev., 2012, 3, 252

15 G. Quercia et al., Wear, 2009, 266, 1229

16 A. Tehrani et al., Alternative Drilling Fluid Weighting Agents: A Comprehensive Study on Ilmenite and Hematite, in: IADC/SPE Drilling Conference and Exhibition, Fort Worth, TX, United States, 2014

17 A. M Al Moajil et al., Eliminación de la torta filtrante formada por fluidosde perforación a base de tetraóxido de manganeso , en: Simposio Internacional SPE y Exposición sobre Controlde Daños en la Formación , Lafayette, LA, Estados Unidos, 2008

18 Patente de los Estados Unidos US6248698B1, 1999, expiró