Celulosa polianiónica (PAC) en los fluidos de perforación petrolera: guía completa

Celulosa polianiónica (PAC) En los fluidos de perforación petrolífera, es el aditivo preferido para el control de la pérdida de fluido y la reología en sistemas de lodo a base de agua, ya que proporciona un control estable de la filtración en agua dulce, agua de mar y salmuera saturada a temperaturas de hasta 120 °C. Esta guía explica en qué se diferencian el PAC-LV y el PAC-HV, cómo superan los ensayos de la norma API/ISO 13500 y cómo dosificarlos para optimizar el rendimiento de la perforación en cualquier composición química del agua.

Introducción

La pérdida de fluido es el «asesino silencioso» de la rentabilidad de la perforación. Cuando el lodo de perforación se filtra hacia formaciones permeables, la capa de filtro se espesa, el pozo empieza a atascarse, se producen daños en la formación y los costes del lodo se disparan. La celulosa polianiónica (PAC) es el aditivo al que recurren los ingenieros de fluidos de perforación cuando necesitan un control de filtración predecible y estable a cualquier temperatura en la más amplia gama de composiciones químicas del agua, desde el agua dulce hasta la salmuera saturada.

La celulosa polianiónica (PAC) es una carboximetilcelulosa (CMC) de alta pureza y alto grado de sustitución. Los grupos carboximetilo (con un grado de sustitución de hasta 0,9-1,3, muy superior al de la CMC estándar) hacen que la molécula sea fuertemente aniónica, altamente soluble y resistente a la sal que desactiva la CMC común. La PAC se presenta en dos grados funcionales que resuelven problemas distintos: la PAC-LV (baja viscosidad) para el control de la filtración con una aportación mínima de viscosidad, y la PAC-HV (alta viscosidad) para el control de la filtración, además de aportar viscosidad y suspensión de los recortes. La mayoría de los lodos de campo utilizan ambos, adaptados a la densidad, la composición química del agua y la temperatura del pozo.

En TENESSY Chemical, fabricamos PAC a partir de celulosa de alta calidad derivada del algodón utilizando equipos de proceso alemanes, con un control de producción ajustado a los métodos de ensayo de las normas API 13A e ISO 13500. Nuestros grados de PAC se exportan a más de 40 países y se utilizan tanto en operaciones de perforación en tierra como en alta mar. Esta guía resume la experiencia práctica que hay detrás de la selección del PAC: el mecanismo de control de la filtración, la decisión entre baja presión (LV) y alta presión (HV), el rendimiento en cada tipo de agua y los programas prácticos de dosificación.

El papel del PAC en los fluidos de perforación: filtración, viscosidad y reología

Control de la pérdida de fluido: el mecanismo de la torta de filtración

La pérdida de fluido es el volumen de filtrado del lodo que se escapa a la formación bajo presión. En una prueba de filtración estándar de la API (API 13B-1, LPLT, 690 kPa / 100 psi durante 30 minutos), un buen lodo tratado con PAC produce entre 5 y 8 ml de filtrado, frente a los 15-40 ml o más que produce un lodo sin tratar o que contiene únicamente almidón.

La celulosa polianiónica (PAC) controla esta pérdida a través de la torta de filtración. Las cadenas poliméricas se adsorben a las superficies de las partículas de arcilla (bentonita) y de los sólidos de perforación, uniéndolas para formar una torta delgada y de baja permeabilidad en la pared del pozo. Dado que la torta es fina y flexible, limita tanto el volumen de filtrado como el riesgo de que se atasque la tubería. Hay dos propiedades que hacen de la PAC el polímero adecuado para esta tarea:

• Alta carga aniónica. Los grupos carboximetilo se adsorben con fuerza a los bordes de la arcilla con carga positiva y a los sitios de calcio y magnesio de la roca de la formación, por lo que la torta se adhiere firmemente incluso en salmueras.
• Extensión de la cadena. En solución, las cadenas cargadas del PAC se repelen entre sí y permanecen extendidas, por lo que incluso una pequeña dosis cubre una gran superficie de arcilla. Por eso el PAC ofrece mejores resultados que el almidón (que es neutro y se lixivia del pastel de arcilla) y que la CMC común (que se enrosca en la salmuera y pierde eficacia).

Viscosidad y suspensión

El PAC-HV aumenta la viscosidad del lodo al entrelazarse con la fase acuosa, lo que cumple tres funciones:

• Transporte de esquejes. El espacio anular debe transportar los residuos de perforación hasta la superficie; se requiere una viscosidad mínima para mantenerlos en movimiento. A bajas velocidades de cizallamiento (5-100 s⁻¹, el rango del espacio anular), el PAC-HV forma una estructura gelatinosa que mantiene los residuos en suspensión cuando se detiene la circulación.
• Limpieza de pozos desviados. En los tramos horizontales y con desviación, los residuos de excavación se depositan en el lado más bajo del barreno. La viscosidad a bajo cizallamiento del PAC-HV constituye la principal protección.
• Suspensión de barita. Las lamas pesadas dependen de una tensión de fluencia para mantener la barita (densidad: 4,2 g/cm³) en suspensión cuando las bombas están paradas. El PAC-HV contribuye a esa tensión de fluencia.

Control reológico y estabilidad térmica

La celulosa polianiónica (PAC) presenta una gran resistencia térmica para ser un biopolímero: mantiene sus prestaciones de filtración y viscosidad hasta unos 120 °C (algunos grados con alto DS, hasta 130 °C) en lodos con bajo contenido en sólidos, y es compatible con los modificadores reológicos habituales: la goma xantana para la viscosidad a bajo cizallamiento, los inhibidores de esquisto a base de poliacrilamida y los diluyentes de lignosulfonato. A diferencia de la goma xantana, la PAC no se degrada catastróficamente por cizallamiento en las boquillas de la broca y, a diferencia del almidón, la PAC no fermenta ni se diluye en lodos calientes y oxigenados. Su resistencia a las bacterias es otra ventaja práctica: el almidón necesita un tratamiento biocida, mientras que la PAC no.

La combinación habitual en el campo es PAC-LV para la filtración + xantano o PAC-HV para la viscosidad, y la proporción viene determinada por la densidad del lodo y el ángulo del pozo. En la sección sobre dosificación que figura a continuación se explica una regla empírica sencilla.

PAC-LV frente a PAC-HV: ¿Cuál es la diferencia y cuál necesitas?

La lógica de selección es sencilla una vez que se conoce el programa «mud»:

• PAC-LV es la empresa especializada en filtración. Se opta por esta opción cuando el lodo ya tiene suficiente viscosidad gracias a la bentonita, el xantano o los sólidos, y el único problema es la pérdida de fluido. Este es el caso habitual en los lodos lastrados, en los que añadir un polímero de alta viscosidad elevaría demasiado la tensión de fluencia y la presión de bombeo.
• PAC-HV es un aditivo de doble función. Se utiliza en lodos con bajo contenido en sólidos y sin densificar (en los que no hay bentonita para aumentar la viscosidad) y en tramos de pozos verticales en los que el lodo necesita viscosidad, pero no densidad adicional. El PAC-HV aporta viscosidad y control de la filtración con un único producto.

La mayoría de los sistemas de lodo utilizan ambos. Una fórmula típica de campo para un lodo de agua dulce con bajo contenido en sólidos comienza con 4-6 kg/m³ de PAC-LV más 1-3 kg/m³ de PAC-HV; una salmuera de terminación con salmuera saturada utiliza únicamente entre 5 y 8 kg/m³ de PAC-LV, ya que no se desea que el fluido de terminación presente viscosidad polimérica.

Rendimiento del PAC en agua dulce, agua de mar y salmuera saturada

La prueba decisiva para un polímero de pérdida de fluido es su comportamiento en presencia de sal. El CMC común pierde la mayor parte de su viscosidad y capacidad de control de la filtración en salmueras, ya que la sal protege las cargas del polímero y enrolla sus cadenas. El PAC, fabricado con un DS más alto y una mayor pureza, mantiene sus cadenas extendidas incluso en NaCl saturado.

Lodos de agua dulce

En agua dulce, la celulosa polianiónica (PAC) se dispersa e hidrata rápidamente. Un lodo típico de agua dulce con bentonita 4% + 4 kg/m³ de PAC-LV proporciona un filtrado API de 6–8 mL/30 min y un aumento de la viscosidad plástica de tan solo 1–3 mPa·s: control de la filtración prácticamente sin pérdida de propiedades reológicas. Esta es la aplicación clásica de la PAC-LV en lodos con bajo contenido en sólidos, en la que se cumplen los requisitos de filtración al tiempo que el lodo se mantiene lo suficientemente fluido como para perforar con rapidez.

Agua de mar y lodos de alta salinidad

El agua de mar (con unas 3,5% de sales totales) y los lodos de sales mixtas son los entornos en los que el PAC se separa del CMC. A 3,5% de NaCl, el CMC estándar solo conserva entre el 40 y el 60% de su viscosidad en agua dulce; el PAC conserva entre el 70 y el 90%, ya que su mayor contenido en sólidos disueltos (DS) mantiene las cadenas ionizadas. El control de la filtración se mantiene en el rango de 6 a 9 ml. La práctica habitual consiste en aumentar la dosis de PAC-LV entre un 20 y un 30 % cuando el sistema de lodo pasa de agua dulce a agua de mar, para compensar la pérdida de viscosidad restante.

Salmuera saturada (NaCl ≥ 36%)

Los lodos de salmuera saturada y las salmueras de terminación constituyen el entorno más agresivo. El lodo es prácticamente una solución salina inactiva, y la mayoría de los polímeros se precipitan o se gelifican. El PAC, a una concentración de 5-8 kg/m³, proporciona un filtrado API de 8-12 mL/30 min en NaCl saturado —aceptable para la mayoría de las operaciones de perforación y mucho mejor que el almidón, que da 15-25 mL y se degrada—. En el caso de las salmueras de terminación (donde no se desea que se forme una torta de filtración en la formación productora), se utiliza específicamente el PAC-LV porque forma una torta fina y soluble en ácido que los fluidos de limpieza pueden eliminar. Cabe señalar que el PAC se utiliza en salmueras monovalentes; para salmueras divalentes (CaCl₂, CaBr₂, ZnBr₂) por encima de aproximadamente 10%, el rendimiento del PAC se ve reducido y se requieren polímeros especializados.

Normas de ensayo API e ISO para el PAC

Los aditivos para fluidos de perforación se adquieren según las normas, no según las fichas técnicas. Los grados de PAC se someten a ensayo y se certifican de acuerdo con:

• API 13A — Especificación para materiales de fluidos de perforación, que incluye el PAC en la sección 8 (carboximetilcelulosa y celulosa polianiónica), y establece requisitos relativos a la humedad, el grado de sustitución, la viscosidad de una solución de 1% en agua salada de 4% y el control de la pérdida de fluido, medido como volumen de filtrado.
• ISO 13500 — la norma internacional (con un contenido técnico idéntico al de la API 13A) que se utiliza para las adquisiciones fuera de Norteamérica.
• API 13B-1 / ISO 10414-1 — los procedimientos de campo y de laboratorio utilizados para medir las propiedades del lodo: el ensayo de filtración LPLT (100 psi, 30 min), la viscosidad plástica y el límite de fluidez a partir de las lecturas del viscosímetro de Fann, y el ensayo de filtración HTHP (normalmente a 500 psi y hasta 150 °C) para pozos profundos.

Cifras clave de las calidades TENESSY PAC, sometidas a ensayo según estas normas:

Al especificar celulosa polianiónica (PAC), exige siempre que el certificado incluya los resultados de los ensayos según las normas API 13A e ISO 13500, y no solo un valor de viscosidad. Un producto que no supere la prueba de filtrado en condiciones estándar no funcionará en su pozo, independientemente del valor de viscosidad 2% que indique.

Dosis recomendada y buenas prácticas

Programas de dosificación según el sistema de lodos

Buenas prácticas extraídas de la experiencia sobre el terreno

• Hidrátate antes de entrar en boxes. Añade celulosa polianiónica (PAC) al agua agitando bien antes de añadir la sal. La PAC se hidrata mal si se vierte directamente en la salmuera; prepara siempre primero la pasta de polímero en agua dulce y, a continuación, incorpora la sal.
• Añádelo poco a poco. Verter el contenido de la bolsa directamente en la línea de aspiración provoca la aparición de «ojos de pez» y picos de viscosidad. Dosifica el polvo mediante una tolva mezcladora o un eductor.
• Dosifica según el resultado de la prueba, no por costumbre. Realiza la prueba de filtración LPLT después de cada adición. El objetivo es obtener un filtrado de 30 minutos dentro de tu rango de trabajo (entre 5 y 10 ml para la mayoría de los lodos), y la dosis correcta es la mínima que permita alcanzarlo.
• Controla la temperatura. Por encima de los 120 °C, la capacidad de control de la filtración del PAC disminuye. En el caso de pozos profundos y calientes, se recomienda combinar el PAC con polímeros sulfonados (por ejemplo, SMP o derivados del lignito) o cambiar la base a un lodo sintético o a base de ésteres.
• Comprueba la compatibilidad antes de mezclar. El PAC es compatible con la mayoría de los aditivos a base de agua, pero se recomienda realizar una prueba piloto antes de añadir tensioactivos, inhibidores de incrustaciones o antiespumantes HTHP, ya que el PAC aniónico puede precipitarse con sales de metales pesados presentes en el agua de reposición dura.
• Guárdalo en un lugar seco. El PAC es higroscópico; las bolsas abiertas deben volver a cerrarse, ya que, de lo contrario, el contenido de humedad superará los límites especificados para el principio activo (API) y la dosificación será inexacta.

PREGUNTAS FRECUENTES

P1: ¿Cuál es la diferencia entre PAC-LV y PAC-HV?

R: El PAC-LV (baja viscosidad) está diseñado para controlar la pérdida de fluido con un aumento mínimo de la viscosidad, normalmente de 30 a 120 mPa·s a 1% en salmuera. El PAC-HV (alta viscosidad) proporciona control de la pérdida de fluido además de un aumento significativo de la viscosidad, de 700 a 1.200 mPa·s a 1% en salmuera, para el transporte y la suspensión de los residuos de perforación. La mayoría de los sistemas de lodo utilizan ambos: el PAC-LV como agente de filtración y el PAC-HV (o xantano) como fuente de viscosidad.

Pregunta 2: ¿Cuál es la diferencia entre el CMC y el PAC en los fluidos de perforación?

R: La celulosa polianiónica (PAC) es una versión de mayor calidad y mayor DS de la CMC. Ambas son carboximetilcelulosa, pero la PAC tiene un grado de sustitución ≥ 0,9 (frente al 0,7-0,8 de la CMC para perforación) y una mayor pureza. Esto permite que la PAC se mantenga dispersa y eficaz en agua de mar y salmuera saturada, donde la CMC se aglutina y pierde viscosidad y control de filtración. La PAC también tolera temperaturas más altas y forma una torta de filtración más soluble en ácido, razón por la cual se prefiere para pozos exigentes y operaciones de terminación.

Pregunta 3: ¿Cuál es la dosis habitual de PAC en el lodo de perforación?

R: Para el control de la pérdida de fluido, el PAC-LV a una concentración de 3-6 kg/m³ cubre la mayoría de los lodos de agua dulce, agua de mar y salmuera; la salmuera saturada requiere 5-8 kg/m³. Para aumentar la viscosidad y facilitar la filtración, lo habitual es utilizar PAC-HV a una concentración de 1-4 kg/m³. La cifra exacta viene determinada por el ensayo de filtración API LPLT (objetivo: 5-10 ml/30 min) y por la reología necesaria para la limpieza del pozo; se debe ajustar siempre según el ensayo y volver a comprobar cuando cambien la temperatura o la densidad del lodo.

Pregunta 4: ¿Qué normas regulan el contenido de PAC en los fluidos de perforación?

R: El PAC se especifica en la norma API 13A (sección 8) y en su equivalente internacional, la norma ISO 13500, que definen la humedad, el grado de sustitución, la viscosidad en agua salada 4% y los requisitos de filtrado de la API. Los ensayos de propiedades del lodo se realizan según la norma API 13B-1/ISO 10414-1: el ensayo de filtración LPLT (100 psi, 30 min), la reología con viscosímetro Fann (viscosidad plástica, límite de fluencia) y la filtración HTHP para pozos profundos. Al comprar PAC, exija certificados que muestren los resultados de estas pruebas.

Pregunta 5: ¿Funciona el PAC en salmuera saturada?

R: Sí, esa es su ventaja principal. El elevado DS del PAC mantiene las cadenas poliméricas ionizadas y extendidas en NaCl saturado, mientras que el CMC común se enrosca y deja de funcionar. A una concentración de 5-8 kg/m³, el PAC-LV en salmuera saturada proporciona un filtrado API de 8-12 ml/30 min y una torta de filtración fina y soluble en ácido. En el caso de las salmueras divalentes (CaCl₂, CaBr₂, ZnBr₂) por encima de aproximadamente 10%, el rendimiento del PAC disminuye y se necesitan polímeros especializados.

Pregunta 6: ¿Se puede utilizar PAC junto con goma xantana en el mismo lodo?

R: Sí, y es una práctica habitual. El PAC proporciona control de la filtración y una viscosidad moderada; el xantano aporta la alta viscosidad a bajo cizallamiento necesaria para la suspensión de los recortes en pozos desviados. Esta combinación es habitual en los lodos poliméricos con bajo contenido en sólidos. Añada ambos a través de la tolva de mezcla en agua dulce antes de añadir la sal, y compruebe mediante una prueba piloto que los dos polímeros no espesen en exceso el lodo a la densidad deseada.

Conclusión

La celulosa polianiónica en los fluidos de perforación petrolífera resuelve los dos problemas principales de la ingeniería de lodos: la pérdida de fluido en formaciones permeables y el control reológico ante cambios en la composición química del agua. El PAC-LV proporciona control de la filtración sin merma de viscosidad, el PAC-HV aporta la estructura necesaria para la limpieza del pozo, y la composición química de alto contenido en sólidos secos (DS) que caracterizan a ambos les permite mantener su eficacia en agua dulce, agua de mar y salmuera saturada a temperaturas de hasta 120 °C. Especificado y verificado según las normas API 13A / ISO 13500, el PAC es el polímero más utilizado para la reducción de la pérdida de fluido en la perforación con base acuosa, y la elección adecuada siempre que el programa de lodos deba ser sencillo, estable y rentable.

TENESSY Chemical fabrica PAC-LV y PAC-HV a partir de celulosa de algodón de primera calidad con maquinaria alemana, certificados según los métodos de ensayo API 13A / ISO 13500 y exportados a más de 40 países. Solicita una muestra gratuita de entre 500 y 3000 g, un certificado de ensayo API o una recomendación de dosificación para tu sistema de lodos: el plazo de entrega es de tan solo 7 a 14 días.

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