Arcillas, rocas reservorio
y daño de formación
 
por Juan Carlos Sotomayor y Alberto Lijó
GPA Estudios y Servicios Petroleros S.R.L.
Esta nota ha sido extraída del apunte del Curso que bajo el mismo nombre se dictará en el mes de septiembre

Las arcillas son esencialmente silicatos hidratados de aluminio formados por hidrólisis natural o acción atmosférica (meteorización) de los feldespatos y varios alumino silicatos alcalinos originarios de rocas ígneas.

Debido a su insolubilidad en los solventes habituales han sido difíciles de investigar y caracterizar. Parecen existir mas o menos siete sustancias arcillosas químicamente diferentes de las cuales: Caolinitas (Al2O3.2SiO2.2H2O) y Montmorillonitas (Al2O3.3SiO2. H2O) son las más importantes desde el punto de vista industrial y constituyen los caolines y las bentonitas respectivamente.

Las arcillas presentan un tamaño (granulometría) de partícula que va desde 1 micrón hasta 10 milimicrones. Ese tamaño le confiere a las arcillas propiedades “coloidales” particulares que veremos luego.

Una típica partícula de arcilla es una lamina delgada de cerca de 10 Angstroms (A) de espesor por 10.000 (A) de largo y otro tanto de ancho. Se deduce que una simple partícula coloidal puede estar compuesta de miles de átomos.

Quizás el aspecto más importante de las arcillas a nuestros efectos sea su superficie específica (superficie por unidad de masa). En un mazo de 52 cartas hay 52 veces la superficie de una carta (superior mas inferior), es decir 7 Pies cuadrados. Un gramo de arcilla puede presentar una superficie específica de 8600 Pies cuadrados.

La superficie específica es una propiedad muy ligada al carácter coloidal de las arcillas. Químicamente las arcillas son silicatos complejos pero su estructura de detalle las diferencia.

Todas las arcillas tienen dos estructuras en común:

· Un tetraedro de SiO4.

· Un octaedro de Al2O6.

Ambas disposiciones se ordenan en forma planar dando lugar al esqueleto de la arcilla.

Nos encontramos ya ante dos definiciones de arcillas: una definición de tamaño y una de composición o una granulométrica y otra mineralógica.

A nuestros efectos ambas son útiles aunque debemos aclarar que no solo son coloides las arcillas, los hidróxidos de hierro y aluminio, algunos geles de fractura y el estado en que los asfaltenos se encuentran dispersos en los crudos son ejemplos de los sistemas coloides.

Una de las propiedades de las partículas coloidales es que estas se mueven dentro de un campo eléctrico, el fenómeno se denomina electroforesis y es común en gases y líquidos (en los gases constituye la base del precipitador de polvos Cottrell).

Para explicar el efecto Hemholtz introdujo el concepto de una doble capa eléctrica en la superficie de la arcilla cuando esta rodeada de un fluido.

Imagine una partícula de arcilla (sólido) con un desbalance eléctrico en su estructura (carga negativa) y una nube de cargas positivas – provistas por ejemplo por cationes disueltos en el agua que rodea la arcilla. Esta combinación nos lleva a una partícula eléctricamente neutra pero con la “capa” de cationes (iones de carga positiva) capaz de migrar en el agua por difusión debida al flujo de la misma dentro del sistema poral.

El sistema partícula – nube constituye lo que Hemholtz llamo doble capa eléctrica y este sistema es el causante de gran parte de la conducta de las arcillas en cuanto al daño de formación se refiere.

Aunque los minerales a los cuales las arcillas pueden estar adheridas también presentan cargas eléctricas por desbalances moleculares  en el sólido, las uniones con los fluidos son más débiles, los fenómenos de cargas superficiales han sido poco estudiados en rocas.

En todos los sistemas arcilla – agua existen factores que tienden a disociar y otros a asociar las partículas de arcillas. La resultante determina el comportamiento final del sistema, veamos los más importantes:

 

FACTORES QUE ASOCIAN

 

FACTORES QUE DISOCIAN

 

· Fuerzas de Van der Waals.

 

· Hidratación de cationes intercambiados.

 

· Sorción mutual de iones entre capas
   adyacentes.

 

· Repulsión de cationes intercambiados.

 

· Adsorción de materia orgánica del petróleo

 

·Desorción de materia orgánica del petróleo.

Los minerales arcillosos son filosilicatos, esto es poseen una estructura laminar que se asemeja a las micas.

El intercambio de base es el cambio de iones disueltos en el agua que rodea a la arcilla por los iones que rodean a la partícula de arcilla (cationes equilibrantes). Los minerales arcillosos muestran esta propiedad en grado variable (sobre este particular recomendamos la lectura de nuestra Nota Técnica sobre – Capacidad de intercambio de cationes).

DAÑO A LA FORMACIÓN (DF).

Existen evidencias de campo y laboratorio que la mayor parte de las operaciones de campo: (perforación, completación, Work-over, producción y estimulación), son una fuente potencial de daño a la formación o lo que es equivalente a la pérdida de productividad del pozo. Dado que reparar el DF es usualmente difícil y costoso (cuando no imposible) la mejor estrategia seria prevenirlo.

Básicamente el origen del DF esta asociado:

· Al transporte y entrampamiento de sólidos finos y/o

· A ciertas reacciones químicas entre fluidos invasivos y roca reservorio.

Para prevenir el DF por perdida de permeabilidad o estimular eficientemente un pozo es vital que se diagnostique con la mayor exactitud posible el mecanismo del DF.

NATURALEZA DEL PROBLEMA

Si se observa con suficiente detalle una roca reservorio tal como una arenisca, podrá apreciarse que los fluidos que se muevan dentro de los poros encontraran condiciones críticas de flujo: caminos porales tortuosos, paredes porales rugosas con alta superficie específica y minerales reactivos tales como arcillas, micas, feldespatos, y compuestos de hierro.

El sistema poral constituye un medio ideal para fenómenos de entrampamiento, migración de sólidos y reacciones de intercambio fluido – sólido. Además de la naturaleza física del sistema poral, debemos tener considerar la composición de las especies minerales y el grado de reactividad de los mismos frente a un fluido externo.

En un modelo simple la permeabilidad de cualquier formación arcillosa (Clay bearing) depende en gran medida del grado de tenacidad de la unión entre las partículas individuales. La permeabilidad será máxima si todas las partículas están compactadas y agregadas y mínimas si están dispersas y circulando con los fluidos.

Fluidos y rocas reservorio han permanecido en equilibrio por millones de años, la irrupción de un pozo (conducto de drenaje de fluidos hacia la superficie) genera un flujo de fluidos desde el interior del reservorio hacia el pozo. Este solo hecho puede generar un tipo de DF conocido como migración de finos.

El segundo factor generador de DF es el ingreso al reservorio de fluidos foráneos que llamaremos invasivos.

Veamos algunos efectos negativos del ingreso en la roca reservorio de los fluidos invasivos en las operaciones más usuales:

 OPERACION

EFECTO NEGATIVO (PROBABLE DF)

 

PERFORACION

 

Invasión por filtrado y partículas de lodo.
Invasión por sobrepresión de lodo.

 

CEMENTACION

 

Formación de precipitados.
Reacciones con arcillas.

 

PUNZADO

 

Daño mecánico por facturación.
Invasión por fluidos sucios.

 

GRAVEL PACKING

 

Migración de finos.

 

PRODUCCION

 

Incrustaciones orgánicas / inorgánicas.

 

INYECCION DE AGUA

 

Invasión de sólidos suspendidos.
Sensibilidad al agua dulce.

 

WORKOVER – WELL COMPLETIONS

 

Sensibilidad de la formación.

 

ACIDIFICACION

 

Reacciones ácidos - arcillas.

 

FRACTURACION

 

Sensibilidad de arcillas.

Como puede observarse en la tabla, gran parte de  los posibles mecanismos de DF están vinculados con la presencia de minerales de arcilla dentro de la roca reservorio.

Naturalmente, la sola presencia de arcillas no es indicativa de daño potencial, sin embargo, su abundancia,  distribución y tipo son aspectos que deben estudiarse para descartar efectos indeseables.

El DF es cualquier proceso que deteriore la permeabilidad de la roca reservorio y disminuya la producción o la inyectividad. Las arcillas son los minerales reactivos de la roca reservorio frente al agua invasiva de cualquier origen (no incluimos los ácidos que reaccionan con disolución de minerales).

El contacto entre un agua invasiva y las arcillas de la formación puede inducir severos problemas de desestabilizacion de arcillas con consecuencias dramáticas: hinchamiento de arcillas, dislocamiento de partículas arcillosas y entrampamiento de partículas en los caminos porales.

HINCHAMIENTO Y DEFLOCULACIÓN DE ARCILLAS: DOS FENÓMENOS MUCHAS VECES CONFUNDIDOS.

El fenómeno de hinchamiento de arcillas es característico de las arcillas smectíticas (Montmorillonitas). La doble capa eléctrica se origina entre el desbalance negativo de la superficie de la arcilla y los iones de agua que rodean el cristal de la arcilla (Cationes).

Si los cationes son escasos (aguas dulces), el carácter polar de la molécula de agua hace que esta sustituya a los mismos pero, como su molécula es más voluminosa, “destruye” el cristal (téngase en cuenta que la doble capa eléctrica se extiende en todo el volumen y entre las capas constitutivas de la columna arcillosa). La expansión de la arcilla hace que la misma se disgregue, rompa y migre.

El fenómeno de defloculación de arcillas es diferente aunque sus consecuencias pueden también ser graves para el reservorio.
 
Este fenómeno se debe a la alteración de las fuerzas electrostáticas entre partículas de arcillas. En aguas salinas la doble capa eléctrica o difusa se encuentra contraida pero en aguas dulces expandida. Cuando las fuerzas de repulsión son mayores que las de atracción (de Van der Waals) la arcilla se deflocula (las partículas coloidales se rompen) y la arcilla se hace migratoria.