Aplicación de nanopartículas para la reducción del daño de formación por fluidos de perforación y mejoramiento de la zona invadida

Abstract

Colloidal suspension agglomeration and filtration occur in many natural phenomena and engineering applications. The most common colloidal theory problem is stabilizing a colloidal dispersion. Agglomeration reduction through interparticle force control. If the particles agglomerate, the agglomerated sizes increase, randomly increasing the sedimentation (or deposition) rate. Drilling fluids are composed of a base fluid, water, and solid particles suspended, calcium carbonate - CaCO3.In most cases, polymers are used to disperse the solid material. However, factors such as mud contamination, size, solid concentration solids, changes in pH, etc., can alter the surface charge, affect the colloidal stability, and alter the drilling fluid properties. An alternative to the current improves the drilling fluids properties is the potential employment of nanoparticle technology. However, few fundamental studies are available in the literature or omit the interactions between particles for colloidal suspensions. Thus, the thesis focuses principally on the colloidal stability in the polymer-CaCO3 system and the solid packing in the filtration process in the presence of nanoparticles (NPs). SiO2 NPs are a common material widely used in drilling fluid improvement. The colloidal stability of the water-based drilling muds (WBM) in the presence of SiO2 NPs was evaluated by monitoring rheological and filtration properties varying the particle size, concentration, and charge surface NPs. The NPs with the smallest size, highest total acidity, and the most negative value of zeta potential had the highest capacities of filtration volume and filter cake thickness reduction. These factors favor the dispersion forces, allowing the reduction of aggregates, favoring an ordered particle deposition with superior coverage. Once they have formed the filter cake, the attractive forces predominate the system, reducing the empty spaces between particles. Also, NPs are retained in the porous surface due to the affinity between the rock silica groups and the SiO2 NPs active sites. Hence, the SiO2 NPs could interact in the following order with each item evaluated: Polymer < CaCO3 < rock. In the case of the polymer, it interacts the most with the rock, followed by NPs and then CaCO3. NPs do not generate significant changes in the rheological profiles of the WBM. However, the yield point and gel strength, which are strengthened at low shear rates, were improved with the presence of NPs, the attractive forces predominate. The lower the distance between SiO2 NPs-polymer, the greater the force of attraction between the molecules. This study provides a broader landscape of the role of SiO2 NPs in the improvement and design of drilling fluids to a field application. Strategies and methodologies for application and scaling the WBM with NPs in the drilling are proposed.

La aglomeración y el proceso de filtración en suspensiones coloidales ocurre en muchos fenómenos naturales y aplicaciones de ingeniería. El problema más común de la teoría coloidal es la estabilización de una dispersión; reducción de la aglomeración mediante el control de las fuerzas entre partículas. Si las partículas se aglomeran, los tamaños de aglomerados aumentan, aumentando la velocidad de sedimentación (o deposición) de forma aleatoria en la superficie. Los fluidos de perforación están compuestos por un fluido base, agua y partículas sólidas suspendidas, carbonato de calcio - CaCO3. En la mayoría de los casos, se utilizan polímeros para favorecer la dispersión del material sólido. Sin embargo, factores como la contaminación del lodo, el tamaño, la concentración de sólidos, los cambios de pH, etc., pueden alterar la carga superficial y afectar la estabilidad coloidal y alterar las propiedades del fluido de perforación. Una alternativa a la mejora actual de las propiedades de los fluidos de perforación es el uso de la nanotecnología. Sin embargo, pocos estudios teóricos están disponibles en la literatura u omiten las interacciones entre partículas para dichas suspensiones coloidales. De esta forma, la tesis se centra principalmente en la estabilidad coloidal en el sistema polímero-CaCO3 y el empaquetamiento sólido en el proceso de filtración en presencia de nanopartículas (NPs). Las NP de sílice (SiO2) son un material común y ampliamente utilizado en el mejoramiento de fluidos de perforación. La estabilidad coloidal de los lodos de perforación base de agua (WBM, por sus siglas en inglés) en presencia de NPs de SiO2 se evaluó mediante el seguimiento de las propiedades reológicas y de filtración variando el tamaño de partícula, la concentración y las NP de superficie de carga. Las NPs con el tamaño más pequeño, la acidez total más alta y el valor más negativo de potencial zeta tuvieron las capacidades más altas de reducción del volumen de filtración y del espesor del revoque. Estos factores favorecen las fuerzas de dispersión, permitiendo la reducción de agregados, favoreciendo Resumen y Abstract X una deposición ordenada de las partículas logrando una cobertura superior. Una vez formado el revoque, las fuerzas de atracción predominan en el sistema, reduciendo los espacios vacíos entre partículas. Además, las NPs se retienen en la superficie porosa debido a la afinidad entre los grupos de sílice de la roca y los sitios activos de las NPs de SiO2. Por lo tanto, las NPs de SiO2 podrían interactuar en el siguiente orden con cada elemento evaluado: Polímero <Roca. En el caso del polímero, interactúa más con la roca, seguido de las NP y luego el CaCO3. Las NPs no generan cambios significativos en los perfiles reológicos del WBM. Sin embargo, el punto de cedencia y la resistencia gel, que se refuerzan a bajas tasas de cizallamiento, se mejoraron con la presencia de NPs, las fuerzas de atracción predominan. Cuanto menor sea la distancia entre el polímero y las NP de SiO2, mayor será la fuerza de atracción entre las moléculas. Este estudio proporciona un panorama más amplio del rol de las NPs de SiO2 en el mejoramiento de sus propiedades y el diseño de fluidos de perforación para una aplicación de campo. Se proponen estrategias y metodologías para la aplicación y escalado del WBM con NPs en la perforación de pozos. (Texto tomado de la fuente)