Fluidos para Fracturamiento Hidráulico: Tipos (Parte II)

Existen todo una gama de fluidos de fractura para cubrir las necesidades de los diferentes reservorios. Los más utilizados y sobre los cuales vamos hablar más son los fluidos base agua, que pueden ser geles lineales de poca viscosidad, o geles crosslinkeados de alta viscosidad. Son fluidos de bajo costo, son los menos peligrosos tanto para la seguridad del personal como del medio ambiente, y son fácil de preparar en locación. Existen también fluidos base hidrocarburos, generalmente kerosén o gasoil. No se recomienda el uso de petróleo gelificado, ya que para ser utilizado debería ser desparafinado y deshidratado. De contrario se inyectaría un material obturante dentro de la formación. Se reserva estos fluidos que son más caros y pueden ser dañinos para el medio ambiente, para reservorios de petróleo sensibles al agua. En el pasado se utilizó mucho el petróleo, pero con las mejoras de los geles base agua se dejó de utilizar. (Tiempo de Lectura: 12 minutos). 

Estos fluidos pueden ser espumados o energizados. Una espuma es compuesta por gel y gas, que puede ser nitrógeno (N2) o gas carbónico (CO2). Estos fluidos son utilizados para pozo de gas de baja presión o también para reducir la cantidad de líquido inyectado. Las emulsiones, que pueden ser emulsiones de gasoil y agua, son fluidos especiales y pocos utilizados. Una emulsión es como una mayonesa y puede ser bastante viscosa. Las emulsiones deben ser utilizadas con mucho cuidado porque contienen gran cantidad de surfactante y puede reaccionar con el mismo fluido de formación. Otro fluido de fractura especial es el metanol gelificado. Es un fluido reservado para pozos de gas secos, y su manipulación es muy peligrosa. Solamente BJ y Halliburton (con ciertas restricciones) acepten bombearlo puro. Los ácidos son utilizados para fracturar formaciones de carbonatos.

1. Geles lineales

En la Figura 1 se ve un gel lineal base agua, o sea un fluido de baja viscosidad. Se ve como fluye fácilmente. En la imagen de derecha se ve el mismo gel pero esta vez es crosslinkeado (o activado). Se observa que no fluye libremente y que hace como una lengua que se cae del vaso. Por ser crosslinkeado tiene una mayor viscosidad y una cierta consistencia. Ese es el tipo de fluido que se utiliza en la gran mayoría de las fracturas.

Fig. 1. Diferencias entre gel lineal y gel crosslinkeado.

Los geles lineales pueden ser base agua o base hidrocarburo. Pueden ser utilizados como preparación para hacer los geles crosslinkeados, para las espumas, o también pueden ser utilizados como gel de fractura para reservorio de baja permeabilidad donde se busca hacer fracturas largas y de menor conductividad. Debido a su baja viscosidad y su falta de consistencia tiene menos capacidad que un gel crosslinkeado para la sustentación y transporte del agente de sostén. Los geles lineales son utilizados como gel de fractura cuando la concentración deseada es baja (máximo 4 PPA). Los gelificantes más utilizado hoy para fluidos base agua son a base de guar (goma guar o HPG). Es un polímero producido por unos granos provenientes de Pakistán.

Gelificantes base agua más comunes en el mercado:
-Guar (el guar común, utilizado en la industria alimenticia no es recomendado por la cantidad de residuos que contiene)
-Guar refinado: Son los gelificantes más utilizados hoy
-HPG: Hydroxypropylguar
-HEC o HPC: Derivados de celulosa, son geles limpios pero no reticulan, se utilizan para casos especiales, como control de arena.
-CMHPG: Carboxymethylhydroxypropylguar, reticulan mejor que los HPG pero tienen altos valores de residuos.
-CMG: Carboxymethylguar, en el mercado desde 1998, tienen bajas valores de C*

Los polímeros son moléculas largas. Para que el fluido lineal empiece a tomar viscosidad se necesita que la cantidad de cadenas poliméricas que son mezcladas en el agua empiecen a tocarse mutuamente impidiendo su libre movimiento. Si las cadenas poliméricas están sueltas en el agua pero no se tocan la viscosidad es casi la viscosidad del agua. La concentración mínima necesaria para que un gelificante empiece a generar una cierta viscosidad es lo que se llama C*. Según el polímero el C* va a ser más o menos alto. O sea, se necesitará una concentración más o menos grande de polímero para tener la viscosidad deseada. Lo ideal seria utilizar gelificantes que necesitan la menor cantidad posible de polímero para tener la viscosidad adecuada, porque así quedarían menos residuos en la fractura. En la Figura 2, se puede observar el comportamiento de C* en tres tipos de polímeros que se utilizan en fluidos de fracturamiento hidráulico.

Fig. 2. Comportamiento de C* en distintos tipos de polímeros.

Los fluidos normalmente utilizados que son guar o HPG tienen C* de la orden de los 16 a 18. Por lo tanto por seguridad se utilizan concentraciones superiores a los 20 lb/1000 gal. Hoy existen nuevos polímeros (CMG) que permiten trabajar con concentración menor. Pero estos fluidos son más delicados y todavía necesiten aguas de mayor calidad que los guars refinados. Entonces no pueden ser utilizados en todas las locaciones.

Donde:
ppt = pound per thousand, (ó libras de sólido por 1000 gal de gel)

En la Figura 3 vemos la estructura de la guar que es el polímero más utilizado. Los demás polímeros tienen una estructura algo similar. La estructura del polímero está constituida por secuencias formadas de azúcar (2 "mannose" y 1 "galactosa") también llamados polisacáridos. La molécula es formada de la yuxtaposición de unas cuantas secuencias. Se forman así largas cadenas. En contacto con el agua las partículas de guar se hidratan y se hinchan tomando mayor volumen. En este caso la "galactosa", que no participe en la formación de la cadena es un peso muerto. Los ruptores son químicos que van romper las uniones entre los diferentes eslabones de la cadena para generar una cantidad de pequeñas cadenas.

Fig. 3. Estructura de la guar, el polímero más utilizado. 

Es muy importante hacer en el campo un control de calidad del gel lineal. Lo ideal sería tener un pequeño laboratorio en locación. Esto se justifica cuando se hacen fracturas grandes, pero es más difícil hacerlo cuando se realizan muchas fracturas pequeñas. La mezcla del gel se hará solamente después de hacer un control de calidad del agua (pH, contenido en hierro, bicarbonatos,...). Para hacer el control de calidad se debe utilizar un viscosimetro tipo Fann 35. La viscosidad es dependiente de la temperatura del agua de mezcla. Lo ideal sería tener siempre el agua a una temperatura de 20°C.

En el campo se puede ver que algunos operadores utilizan otra metodología más sencilla y más rápida para hacer un pre-control de calidad, antes de hacer el control final con el Fann. Utilizan un embudo similar a los que son utilizados para el control de viscosidad del lodo (con un inserte metálico en el orificio). Se controla el tiempo que necesite una cierta cantidad de gel para pasar el embudo. Cada compañía definirá el tiempo que tiene que demorar su gel, pero será alrededor de los 20 segundos por un gel de buena calidad. Si el gel lineal no tiene la viscosidad adecuada, el gel crosslinkeado tendrá una viscosidad todavía más alejada del diseño. En la Figura 4, se pueden observar los parámetros de control de calidad que debe tener un gel lineal.

Fig. 4. Control de calidad para un gel lineal.

2. Geles crosslinkeados base agua (Guar, HPG, CMHG)

En el gel lineal las cadenas poliméricas se tocan y así generan viscosidad. El gel crosslinkeado se hace a partir del gel lineal agregando un aditivo, unos iones metálicos, que unen (encadenan) las diferentes cadenas entre sí. Entonces la viscosidad se incrementa drásticamente. Según el ion utilizado habrá más o menos puntos de contactos. Este tipo de aditivos se llama activador, o reticulador, o "crosslink". El ion más utilizado es el borato. Esta limitado a temperaturas inferiores a los 300°F (se están probando geles borato que pueden ser utilizados hasta 350°F). A mayores temperaturas se utilizaran zirconio o titanio. Las conexiones hechas por los iones de borato no son permanentes, es decir se arman y desarman constantemente, pero estadísticamente hay siempre una cierta cantidad de iones conectando las cadenas poliméricas. Entonces cuando el gel es sometido a grandes esfuerzos de corte que rompen estas conexiones, automáticamente los iones generan nuevas conexiones y en dos o tres segundos el gel vuelve a tener la viscosidad original. Eso no pasa con los geles crosslinkeados con titanio ó zirconio, ya que una vez rota la conexión esta no se rehace. Esta falta de poder rearmar el gel es una limitación para estos activadores. Los activadores son agregados a muy bajas concentraciones (0.5 a 5.0%), pero el incremento de viscosidad es muy importante. La viscosidad puede pasar de ±50 cPo a más de 1000 cPo. En la Figura 5, podemos observar los enlaces generados al añadir un agente activador (borato y zirconato) a las cadenas poliméricas en un gel de fractura.

Fig. 5. Enlaces generados por los activadores borato y zirconato a las cadenas poliméricas del gel de fracturamiento hidráulico.

3. ¿Cómo hacemos la elección entre uno activador y otro?

Un gel crosslinkeado tiene mayores perdidas de cargas (=> presión) en la tubería que un gel lineal. En consecuencia, en pozos profundos, es importante que la reacción de crosslink no se hace en superficie pero en un tiempo determinado antes de llegar en los punzados. O sea se necesite que la reacción sea retardada. Al contrario en pozos someros es recomendable una activación muy rápida (casi instantánea) ya que el tiempo de desplazamiento se puede contar en segundos. Entonces el ion metálico elegido como activador será liberado por diferentes químicos según el caso. El químico será función de ion metálico necesario, de la temperatura en fondo y del pH del fluido de manera de controlar la reacción. Así se obtiene un gel que crosslinkea en superficie o a los 30 segundos, al minuto, o a los dos minutos. Este nos dará tiempo de bombear el gel en forma de fluido lineal hasta poco antes que entre en los punzados.

Las turbulencias dentro del fluido en la tubería y el paso por los punzados generan altos valores de corte con lo cual se rompen los enlaces entre los polímeros y los iones de activador. La gran ventaja, además del bajo costo, de los boratos sobre el titanio y el zirconio es su baja sensibilidad a los efectos de corte. El gel se corta y se rehace cuando los otros no se regeneren. En pozos con temperatura superior a los 300°F (150 °C) hay que utilizar activadores a base de titanio o zirconio, ya que el borato es inestable. Pero no debemos olvidar que estos geles crosslinkeados son sensibles al efecto de corte. Hoy se esta probando geles boratos hasta 350°F. En los geles de bajo pH, como los geles energizados con CO2 se deberá también utilizar estos activadores. Cuando utilizamos iones borato se liberan bajo la forma de ácido bórico B(OH)3. Cuando el ácido bórico se hidroliza en agua se forman varios productos en condiciones de equilibrio.

La reacción principal es:
B(OH)3 + OH- <==> B(OH)4-

El B(OH)4- se conecta a dos mannose (representado en la ecuación por la letra R) y genera así una cadena mucho más larga de polímeros. Estas cadenas no son permanentes porque la conexión del borato es transitoria ya que se arma y se desarma constantemente. Este fenómeno permite que el fluido no sea sensitivo al corte. En la Figura 6, podemos observar la reacción química en el proceso de reticulación con borato y los productos generados producto de la hidrolización.


Fig. 6. Productos generados de la reticulación con borato.

Mesmer et al investigaron el equilibrio del ion mono-borato en función de la temperatura, el pH y los esfuerzos iónicos. La Figura 7 muestra la curva de equilibrio de la cantidad de borato libre en función del pH y de la temperatura. O sea en cada condición del fluido solo un cierto porcentaje del ácido bórico esta convertido en iones de borato. El ácido borico puede ser independientemente liberado por una fuente de disolución rápida (crosslinkeado instantáneo) o por una fuente de disolución lente (crosslinkeado retardado). Para que un gel sea propiamente crosslinkeado el porcentaje de borato en solución (parte activa) debe ser alrededor de 30 a 40%. A menor concentración de borato no hay suficiente cadenas crosslinkeadas para dar la viscosidad requerida. A mayor concentración el exceso de iones borato hacen que las cadenas de polímeros sean demasiado apretadas, estrujando el agua y provocando la formación de grumos de polímeros. Por ejemplo, en superficie se mezcla un gel a una temperatura de 24°C, pH 9.8, activador instantáneo (ej. soda cáustica). El punto de equilibrio de boratos en solución da una concentración de 0.8. Entonces el gel será sobre activado. 

Fig. 7. Curva de equilibrio de la cantidad de borato libre en función al pH y la temperatura.

A medida que se eleva la temperatura hasta llegar a la temperatura de formación, en este caso 66°C, se reducirá la cantidad de borato en solución y el gel tomará su consistencia ideal. Si la temperatura de formación es mayor que la del diseño faltara iones borato y el gel no tendrá la consistencia deseada y posiblemente no podrá transportar la arena en la fractura. En realidad la reacción es un poco más compleja ya que cambios en la concentración de borato afecta el valor del pH. Pero igualmente se ve la extrema importancia de conocer la temperatura a la cual estará el fluido en los punzados y en la fractura. En la Figura 8 sacado de la literatura de Halliburton representa el mismo fenómeno graficándolo de otra manera.

 Fig. 8. Efecto de la temperatura final sobre la viscosidad del fluido de fractura (Boragel).

El control de calidad de un gel lineal se hace controlando su reología con un viscosimetro Fann 35. Los viscosímetros para gel crosslinkeados (Fann 50) no pueden ser llevados al campo (a menos de tener un laboratorio móvil), y por lo tanto el control debe ser indirecto. Se debe hacer un control de crosslink antes de empezar la operación para verificar el tiempo de activación, preparando una mezcla en una licuadora. Durante la operación se hace un control del tiempo de activación tomando muestras. Un operador con experiencia puede hacer un "control" visual de la viscosidad, pero esto será siempre muy subjetivo. No olvidamos que en superficie el gel no debe tener las mismas características que en condiciones de fondo. En consecuencia, para un buen control se debe verificar el pH del fluido. Debemos pedir a las compañías de tener sensores de pH en la línea para registrarlo de manera continuo junto con los caudales de los aditivos. Hoy no todas las compañías lo tienen. También se hará un control de ruptura de gel calentándolo a temperatura de fondo en un micro onda (si la temperatura no es superior a los 90°C). Cuando se observa el gel no confundirse entre un gel que pierde su consistencia en temperatura por no tener el pH adecuado y un gel correctamente roto. El primero se tornara nuevamente viscoso al enfriarse, el otro quedará fluido.
Fluidos para Fracturamiento Hidráulico: Tipos (Parte II) Fluidos para Fracturamiento Hidráulico: Tipos (Parte II) Reviewed by Marcelo on 15:56 Rating: 5

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