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<strong>Estudios</strong> y <strong>Servicios</strong> <strong>Petroleros</strong> S.R.L.<br />
NOTA TECNICA Nº 18<br />
Hoja 1 de 5<br />
ARCILLAS, ROCAS RESERVORIO Y DAÑO DE FORMACION<br />
(Esta nota ha sido extraída del apunte del seminario que bajo el mismo nombre ofrece<br />
G.P.A.).<br />
Las arcillas son esencialmente silicatos hidratados de aluminio formados por<br />
hidrólisis natural o acción atmosférica (meteorización) de los feldespatos y varios<br />
alumino silicatos alcalinos originarios de rocas ígneas.<br />
Debido a su insolubilidad en los solventes habituales han sido difíciles de<br />
investigar y caracterizar. Parecen existir mas o menos siete sustancias arcillosas<br />
químicamente diferentes de las cuales: Caolinitas (Al 2 O 3 .2SiO 2 .2H 2 O) y<br />
Montmorillonitas (Al 2 O 3 .3SiO 2 . H 2 O) son las más importantes desde el punto de vista<br />
industrial y constituyen los caolines y las bentonitas respectivamente.<br />
Las arcillas presentan un tamaño (granulometría) de partícula que va desde 1<br />
micrón hasta 10 milimicrones. Ese tamaño le confiere a las arcillas propiedades<br />
“coloidales” particulares que veremos luego.<br />
Una típica partícula de arcilla es una lamina delgada de cerca de 10 Angstroms<br />
(A) de espesor por 10.000 (A) de largo y otro tanto de ancho. Se deduce que una simple<br />
partícula coloidal puede estar compuesta de miles de átomos.<br />
Quizás el aspecto más importante de las arcillas a nuestros efectos sea su<br />
superficie específica (superficie por unidad de masa). En un mazo de 52 cartas hay 52<br />
veces la superficie de una carta (superior mas inferior), es decir 7 Pies cuadrados. Un<br />
gramo de arcilla puede presentar una superficie específica de 8600 Pies cuadrados.<br />
La superficie específica es una propiedad muy ligada al carácter coloidal de las<br />
arcillas. Químicamente las arcillas son silicatos complejos pero su estructura de detalle<br />
las diferencia.<br />
Todas las arcillas tienen dos estructuras en común:<br />
• Un tetraedro de SiO 4 .<br />
• Un octaedro de Al 2 O 6 .<br />
Ambas disposiciones se ordenan en forma planar dando lugar al esqueleto de la arcilla.<br />
Nos encontramos ya ante dos definiciones de arcillas: una definición de tamaño<br />
y una de composición o una granulométrica y otra mineralógica.<br />
A nuestros efectos ambas son útiles aunque debemos aclarar que no solo son<br />
coloides las arcillas, los hidróxidos de hierro y aluminio, algunos geles de fractura y el<br />
estado en que los asfaltenos se encuentran dispersos en los crudos son ejemplos de los<br />
sistemas coloides.
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NT / Nº18<br />
Hoja 2 de 5<br />
Una de las propiedades de las partículas coloidales es que estas se mueven<br />
dentro de un campo eléctrico, el fenómeno se denomina electroforesis y es común en<br />
gases y líquidos (en los gases constituye la base del precipitador de polvos Cottrell).<br />
Para explicar el efecto Hemholtz introdujo el concepto de una doble capa<br />
eléctrica en la superficie de la arcilla cuando esta rodeada de un fluido.<br />
Imagine una partícula de arcilla (sólido) con un desbalance eléctrico en su<br />
estructura (carga negativa) y una nube de cargas positivas – provistas por ejemplo por<br />
cationes disueltos en el agua que rodea la arcilla. Esta combinación nos lleva a una<br />
partícula eléctricamente neutra pero con la “capa” de cationes (iones de carga positiva)<br />
capaz de migrar en el agua por difusión debida al flujo de la misma dentro del sistema<br />
poral.<br />
El sistema partícula – nube constituye lo que Hemholtz llamo doble capa<br />
eléctrica y este sistema es el causante de gran parte de la conducta de las arcillas en<br />
cuanto al daño de formación se refiere.<br />
Aunque los minerales a los cuales las arcillas pueden estar adheridas también<br />
presentan cargas eléctricas por desbalances moleculares en el sólido, las uniones con<br />
los fluidos son más débiles, los fenómenos de cargas superficiales han sido poco<br />
estudiados en rocas.<br />
En todos los sistemas arcilla – agua existen factores que tienden a disociar y<br />
otros a asociar las partículas de arcillas. La resultante determina el comportamiento final<br />
del sistema, veamos los más importantes:<br />
FACTORES QUE ASOCIAN<br />
FACTORES QUE DISOCIAN<br />
• Fuerzas de Van der Waals.<br />
• Sorción mutual de iones entre capas<br />
adyacentes.<br />
• Hidratación de cationes intercambiados.<br />
• Repulsión de cationes intercambiados.<br />
• Adsorción de materia orgánica del petróleo •Desorción de materia orgánica del petróleo.<br />
Los minerales arcillosos son filosilicatos, esto es poseen una estructura laminar<br />
que se asemeja a las micas.<br />
El intercambio de base es el cambio de iones disueltos en el agua que rodea a la<br />
arcilla por los iones que rodean a la partícula de arcilla (cationes equilibrantes). Los<br />
minerales arcillosos muestran esta propiedad en grado variable (sobre este particular<br />
recomendamos la lectura de nuestra Nota Técnica sobre – Capacidad de intercambio de<br />
cationes).
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Hoja 3 de 5<br />
DAÑO A LA FORMACIÓN (DF).<br />
Existen evidencias de campo y laboratorio que la mayor parte de las operaciones<br />
de campo: (perforación, completación, Work-over, producción y estimulación), son una<br />
fuente potencial de daño a la formación o lo que es equivalente a la pérdida de<br />
productividad del pozo. Dado que reparar el DF es usualmente difícil y costoso (cuando<br />
no imposible) la mejor estrategia seria prevenirlo.<br />
Básicamente el origen del DF esta asociado:<br />
• Al transporte y entrampamiento de sólidos finos y/o<br />
• A ciertas reacciones químicas entre fluidos invasivos y roca reservorio.<br />
Para prevenir el DF por perdida de permeabilidad o estimular eficientemente un<br />
pozo es vital que se diagnostique con la mayor exactitud posible el mecanismo del DF.<br />
NATURALEZA DEL PROBLEMA<br />
Si se observa con suficiente detalle una roca reservorio tal como una arenisca,<br />
podrá apreciarse que los fluidos que se muevan dentro de los poros encontraran<br />
condiciones críticas de flujo: caminos porales tortuosos, paredes porales rugosas con<br />
alta superficie específica y minerales reactivos tales como arcillas, micas, feldespatos, y<br />
compuestos de hierro.<br />
El sistema poral constituye un medio ideal para fenómenos de entrampamiento,<br />
migración de sólidos y reacciones de intercambio fluido – sólido. Además de la<br />
naturaleza física del sistema poral, debemos tener considerar la composición de las<br />
especies minerales y el grado de reactividad de los mismos frente a un fluido externo.<br />
En un modelo simple la permeabilidad de cualquier formación arcillosa (Clay<br />
bearing) depende en gran medida del grado de tenacidad de la unión entre las partículas<br />
individuales. La permeabilidad será máxima si todas las partículas están compactadas y<br />
agregadas y mínimas si están dispersas y circulando con los fluidos.<br />
Fluidos y rocas reservorio han permanecido en equilibrio por millones de años,<br />
la irrupción de un pozo (conducto de drenaje de fluidos hacia la superficie) genera un<br />
flujo de fluidos desde el interior del reservorio hacia el pozo. Este solo hecho puede<br />
generar un tipo de DF conocido como migración de finos.<br />
El segundo factor generador de DF es el ingreso al reservorio de fluidos foráneos<br />
que llamaremos invasivos.<br />
Veamos algunos efectos negativos del ingreso en la roca reservorio de los<br />
fluidos invasivos en las operaciones más usuales:
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Hoja 4 de 5<br />
OPERACION<br />
PERFORACION<br />
CEMENTACION<br />
PUNZADO<br />
GRAVEL PACKING<br />
PRODUCCION<br />
INYECCION DE AGUA<br />
WORKOVER – WELL COMPLETIONS<br />
ACIDIFICACION<br />
FRACTURACION<br />
EFECTO NEGATIVO<br />
(PROBABLE DF)<br />
Invasión por filtrado y partículas de lodo.<br />
Invasión por sobrepresión de lodo.<br />
Formación de precipitados.<br />
Reacciones con arcillas.<br />
Daño mecánico por facturación.<br />
Invasión por fluidos sucios.<br />
Migración de finos.<br />
Incrustaciones orgánicas / inorgánicas.<br />
Invasión de sólidos suspendidos.<br />
Sensibilidad al agua dulce.<br />
Sensibilidad de la formación.<br />
Reacciones ácidos - arcillas.<br />
Sensibilidad de arcillas.<br />
Como puede observarse en la tabla, gran parte de los posibles mecanismos de<br />
DF están vinculados con la presencia de minerales de arcilla dentro de la roca<br />
reservorio.<br />
Naturalmente, la sola presencia de arcillas no es indicativa de daño potencial, sin<br />
embargo, su abundancia, distribución y tipo son aspectos que deben estudiarse para<br />
descartar efectos indeseables.<br />
El DF es cualquier proceso que deteriore la permeabilidad de la roca reservorio y<br />
disminuya la producción o la inyectividad. Las arcillas son los minerales reactivos de la<br />
roca reservorio frente al agua invasiva de cualquier origen (no incluimos los ácidos que<br />
reaccionan con disolución de minerales).<br />
El contacto entre un agua invasiva y las arcillas de la formación puede inducir<br />
severos problemas de desestabilizacion de arcillas con consecuencias dramáticas:<br />
hinchamiento de arcillas, dislocamiento de partículas arcillosas y entrampamiento de<br />
partículas en los caminos porales.
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Hoja 5 de 5<br />
HINCHAMIENTO Y DEFLOCULACIÓN DE ARCILLAS: DOS FENÓMENOS<br />
MUCHAS VECES CONFUNDIDOS.<br />
El fenómeno de hinchamiento de arcillas es característico de las arcillas<br />
smectíticas (Montmorillonitas). La doble capa eléctrica se origina entre el desbalance<br />
negativo de la superficie de la arcilla y los iones de agua que rodean el cristal de la<br />
arcilla (Cationes).<br />
Si los cationes son escasos (aguas dulces), el carácter polar de la molécula de<br />
agua hace que esta sustituya a los mismos pero, como su molécula es más voluminosa,<br />
“destruye” el cristal (téngase en cuenta que la doble capa eléctrica se extiende en todo el<br />
volumen y entre las capas constitutivas de la columna arcillosa). La expansión de la<br />
arcilla hace que la misma se disgregue, rompa y migre.<br />
El fenómeno de defloculación de arcillas es diferente aunque sus consecuencias<br />
pueden también ser graves para el reservorio.<br />
Este fenómeno se debe a la alteración de las fuerzas electrostáticas entre<br />
partículas de arcillas. En aguas salinas la doble capa eléctrica o difusa se encuentra<br />
contraida pero en aguas dulces expandida. Cuando las fuerzas de repulsión son mayores<br />
que las de atracción (de Van der Waals) la arcilla se deflocula (las partículas coloidales<br />
se rompen) y la arcilla se hace migratoria.<br />
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