HEC en la industria de perforación de petróleo: química, aplicaciones, limitaciones y mejores prácticas
Celulosa hidroxietílica (HEC) es un polímero no iónico, soluble en agua, ampliamente utilizado como viscosificante, modificador de la reología y ayuda a la suspensión en líquidos de perforación a base de agua. Se valora por su capacidad para construir estructura de gel, mejorar el transporte de recortes, reducir la pérdida de fluido cuando se usa con otros aditivos y mejorar la limpieza del pozo en muchas aplicaciones terrestres y en aguas someras en alta mar. La HEC tiene limitaciones prácticas en ambientes de alta salinidad y altas temperaturas y a menudo se mezcla con otros polímeros o se reemplaza por polímeros más estables térmicamente para pozos profundos, HPHT o altamente salinos. Este artículo explica la química y el papel funcional de la HEC en los fluidos de perforación, proporciona orientación para formulaciones y monitoreo, discute modos de fallo y mitigación, presenta dos ejemplos representativos (en tierra y en alta mar) con números operativos, y concluye con recomendaciones prácticas para ingenieros de campo y tecnólogos en fluidos de perforación.
1. Qué es la HEC (definición técnica y práctica)
La HEC (celulosa hidroxietílica) es un derivado no iónico, éter de celulosa en el que grupos hidroxietílicos sustituyen algunos de los grupos hidroxilo de la cadena de celulosa. El resultado es un polímero soluble en agua que espesa soluciones acuosas, produce una reología de afinamiento por corte y desarrolla fuerza de gel a bajas concentraciones. En los fluidos de perforación, la HEC funciona principalmente como viscosificante y agente suspendente en sistemas de barro a base de agua (WBM).
2. Química y propiedades del material
- Naturaleza química: La HEC se produce reaccionando celulosa activada con álcalis (generalmente de pulpa de madera o linters de algodón) con óxido de etileno, creando sustituciones hidroxietílicas en las unidades de glucosa de la cadena de celulosa. El grado de sustitución (DS) y el peso molecular definen la solubilidad del polímero, la velocidad de hidratación y el poder espesante.
- Carácter no iónico: A diferencia de la carboximetilcelulosa (CMC) o la celulosa polianiónica (PAC), la HEC es no iónica; su respuesta reológica es menos sensible a cambios de pH, pero puede ser sensible a la fuerza iónica (sales), especialmente cationes divalentes como Ca2+ y Mg2+.
- Peso molecular y viscosidad: Las clases comerciales de HEC abarcan un amplio rango de peso molecular; las clases de mayor peso molecular proporcionan mayor viscosidad y gels más fuertes a concentraciones más bajas, mientras que las clases de menor peso molecular se disuelven con mayor facilidad y se usan en sistemas de menor viscosidad.
- Estabilidad térmica: La HEC se hidroliza y sufre escisión de cadenas a temperaturas elevadas; los rangos de temperatura típicos para las clases estándar de HEC son hasta aproximadamente 70–120°C, dependiendo de la clase y formulación. Derivados termoestables y formulaciones estabilizadoras extienden esto a temperaturas más altas, pero los polímeros sintéticos (por ejemplo, poliacrilamidas, tipos PAC o espesantes sintéticos especializados) son preferidos por encima de estos límites.
- Solubilidad e hidratación: La HEC se hidrata en agua fría o tibia, pero la velocidad de hidratación depende del peso molecular, la clase de partículas y la presencia de sales. Técnicas de dispersión adecuadas (adición lenta, mezclado de alta cizalladura o uso de lodos pre-hidratados) previenen la formación de grumos y aseguran una hidratación completa.
3. Roles funcionales de la HEC en los fluidos de perforación
- Viscosificante y modificador de la reología: La HEC aumenta la viscosidad a bajo esfuerzo de corte y construye fuerza de gel para que los recortes permanezcan suspendidos cuando la circulación se detiene. Produce un comportamiento de afinamiento por corte que facilita la bombeabilidad a altas cizallas mientras proporciona esfuerzo de fluencia a bajas cizallas.
- Limpieza de hoyos y transporte de recortes: Mejoras en la resistencia a bajo cizallamiento y viscosidad ayudan a transportar los recortes hacia arriba del receso durante la circulación. HEC puede ayudar a evitar la sedimentación en pozos desviados y horizontales cuando se combina con prácticas adecuadas de control de sólidos y barita.
- Control de pérdida de fluido (hasta cierto punto): HEC contribuye a formar una capa de filtro delgada y de baja permeabilidad, especialmente cuando se usa en combinación con materiales de puente (bentonita, almidones, PAC) y sólidos de diámetro pequeño. Solo, es un moderado reductores de pérdida de fluido; las químicas combinadas ofrecen mejor rendimiento.
- Estabilidad y inhibición de lutita (limitado): HEC no es un inhibidor principal de lutita como KCl, glicoles o tratamientos a base de aminas. Puede contribuir al soporte de la presión de poro y a efectos formadores de película, pero para lutitas reactivas, se requieren inhibidores específicos.
- Lubricación y reducción de par (indirecto): Al mejorar la limpieza del hoyo y reducir las camas de recortes, HEC ayuda a reducir la fricción y el par en algunas secciones del pozo.
4. Formulaciones típicas y guía de dosificación
- Convenciones de unidades: Los químicos para fluidos de perforación a menudo se dosifican en lb/bbl (libras por barril) o kg/m3. Un barril equivale a 159 litros (~42 galones estadounidenses).
- Concentraciones típicas: HEC es efectivo en dosis relativamente bajas. Rangos comunes para fluidos de perforación a base de agua:
- Sistemas de baja viscosidad (para limpieza de pozos poco profundos): 0.2–0.8 lb/bbl (0.6–2.4 kg/m3)
- WBM de uso general: 0.5–2.0 lb/bbl (1.8–7.1 kg/m3)
- Sistemas de alta viscosidad o alto gel: 2.0–4.0 lb/bbl (7.1–14.3 kg/m3) o más para grados especiales
- Mezclas: HEC se combina a menudo con:
- Bentonita (para proporcionar tixotropía y punto de fluencia)
- Goma de xantano (para gel sostenido con mayor tolerancia a altas temperaturas)
- PAC (celulosa polianiónica) o CMC para mejorar el control de pérdida de fluido
- Almidones, derivados de D-sorbitol, o polímeros sintéticos para control de filtración en condiciones de alta temperatura y presión (HPHT)
- Secuencia de mezcla: Agregue HEC lentamente en agua agitada para evitar grumos. La premezcla en una pasta o el uso de soluciones prehidratadas acelera la incorporación. Añada sales después de que el HEC esté hidratado para prevenir la salinización.
5. Objetivos de reología y rendimiento
- Vaso de Marsh: Para muchos sistemas de LBM con HEC, el tiempo en el vaso de Marsh aumentará en relación con el agua base; los rangos típicos para barro perforador son de 26 a 45 segundos por cuarto de galón, dependiendo de la viscosidad deseada. Utilice el vaso de Marsh como una comprobación cualitativa en lugar de un único métrico de control.
- Viskómetro rotatorio Fann (lecturas y objetivos comunes):
- Viscosidad plástica (VP): 8–30 cP para muchos fluidos de limpieza de pozos
- Punto de fluencia (YP): 5–40 lb/100 ft^2, dependiendo del ángulo del pozo y las necesidades de transporte
- Gel de 10 segundos/10 minutos: 2–10 / 6–20 lb/100 ft^2 (valores ajustados para suspensión de recortes)
- Pérdida de fluido (prensa de filtro API, 30 min a 100 psi): Objetivo menos de 15 mL para muchas operaciones; las pruebas de pérdida de filtro HPHT (por ejemplo, 250°F/500 psi) pueden ser necesarias para operaciones más exigentes.
6. Límites de temperatura, salinidad y compatibilidad
- Temperatura: Las calidades estándar de HEC pierden rendimiento cuando se exponen a temperaturas sostenidas por encima de aproximadamente 80–120°C. Por encima de esas temperaturas, las cadenas de HEC hidrolizan y la viscosidad disminuye. Para pozos con temperaturas en fondo previstas por encima de esto, considere polímeros de mayor temperatura (por ejemplo, ciertos PAC, polímeros sintéticos o derivados de HEC estabilizados térmicamente avanzados).
- Salinidad e iones: Niveles altos de sal monovalente (NaCl, KCl) reducen el volumen de hidratación del HEC, pero generalmente se toleran hasta niveles moderados. Los cationes divalentes (Ca2+, Mg2+) pueden afectar gravemente el rendimiento del HEC, causando pérdida de viscosidad o floculación. Utilice grados tolerantes a la sal o cambie a polímeros diseñados para salmueras de alta salinidad.
- pH: El HEC es no iónico y tolera rangos de pH, pero la alcalinidad o acidez extremas pueden acelerar la degradación. Mantenga el control del pH esperado según el diseño del sistema (comúnmente 9–10 para muchos lodos de perforación).
- Compatibilidad química: El HEC es compatible con muchos aditivos comunes de fluidos de perforación, pero puede interactuar adversamente con oxidantes fuertes o ácidos fuertes. Los biocidas y los scavengers de oxígeno deben elegirse para evitar dañar las cadenas poliméricas.
7. Mejores prácticas para mezclar, hidratar y manipular
- Control de polvo: Los polvos de HEC generan polvo; utilice grados de bajo polvo y equipo de protección personal (protección respiratoria) durante la manipulación. Use sistemas de transferencia cerrados si están disponibles.
- Pre-hidratación: Premezcle HEC en una suspensión con agitación o utilice un molino o tolva diseñados para dispersar el polvo del aglutinante en agua. Esto previene la formación de grumos y asegura una hidratación rápida.
- Cizalladura: La mezcla de alta cizalladura ayuda a hidratar el HEC, pero una cizalladura excesiva puede reducir el peso molecular; siga la orientación del proveedor sobre el equipo de mezcla y la duración.
- Orden de adición: Por lo general, hidrate el HEC en agua, asegure una dispersión completa y luego añada sales, agentes de peso y otros polímeros. Si se añade a salmuera, considere aditivos de pre-humedecimiento o utilice grados tolerantes a la sal.
- Almacenamiento y vida útil: Almacene el HEC seco en condiciones frescas y secas. Evite la entrada de humedad. Siga la orientación del proveedor sobre la vida útil.
- Pruebas de rutina: Tiempo de embudo de Marsh, viscosímetro Fann (lecturas a 600 y 300 rpm y PV/YP derivado), resistencia a la gelificación (10s/10min), peso del lodo (balanza de lodo), pH y prensa de filtro API para pérdida de fluido.
- Pruebas avanzadas: Reómetro para curvas completas de tasa de cizalladura, prensa de filtro HPHT para filtración a altas temperaturas/alta presión, análisis termogravimétrico y permeación de gel en laboratorio para evaluación de degradación de polímeros.
- Tendencias: Monitorizar tendencias en PV, YP, resistencia a la gelificación y pérdida por filtración para detectar signos tempranos de degradación de HEC (caída progresiva de viscosidad) o contaminación (saltos bruscos de viscosidad debido a sólidos o sales).
- Confirmación en laboratorio: Si ocurre un cambio inesperado en la reología, enviar muestras para análisis GPC/Mw o microscopía para detectar floculación, y realizar cribado de compatibilidad con sal en laboratorio antes de la sustitución a granel.
9. Modos de fallo y mitigación
- Degradación térmica (descomposición térmica):
- Síntoma: pérdida gradual de viscosidad y resistencia a la gelificación bajo temperaturas elevadas sostenidas.
- Mitigación: utilizar grados estabilizados térmicamente, reducir el tiempo de exposición a altas temperaturas, incorporar antioxidantes o captadores de radicales libres, o cambiar a polímeros sintéticos de alta temperatura.
- Pérdida de viscosidad inducida por salinidad:
- Síntoma: caída repentina en viscosidad tras la adición de salmuera o al perforar en una formación salina.
- Mitigación: utilizar grados de HEC tolerantes a la sal o mezclarlos con polímeros estables en sal (por ejemplo, PAC-R o polímeros sintéticos); gestionar la importación y dilución de salmuera; añadir captadores de cationes multivalentes.
- Formación de grumos/aglomerados al mezclar:
- Síntoma: trozos no hidratados que se forman al añadir polvo a un fluido aún en movimiento.
- Mitigación: utilizar técnica adecuada de preparación, mezclado de alta cizalladura o concentrados prehidratados; añadir el polímero lentamente al agua agitada.
- Floculación con cationes divalentes:
- Síntoma: precipitación o turbidez, caída en la viscosidad.
- Mitigación: reducir la concentración de Ca/Mg, añadir agentes quelantes o inhibidores de incrustaciones, o reemplazar HEC por un polímero tolerante a divalentes.
- Degradación microbiana (almacenamiento prolongado o agua caliente):
- Síntoma: declive lento de la viscosidad durante días o semanas.
- Mitigación: tratamiento con biocidas según la SDS y la normativa; mantener condiciones de almacenamiento adecuadas.
10. Aspectos de salud, seguridad y medio ambiente
- Toxicidad: Se considera que el HEC tiene baja toxicidad aguda; es un derivado de celulosa y tradicionalmente se ve como de bajo riesgo. Sin embargo, la inhalación de polvo y el contacto con los ojos son peligros; seguir las recomendaciones de la SDS para el EPI.
- Destino ambiental: El HEC es biodegradable en muchas condiciones, pero las formulaciones que contienen aditivos, reticulantes u otros copolímeros deben evaluarse por su persistencia ambiental. La eliminación del fluido de perforación usado debe cumplir con las regulaciones locales (por ejemplo, gestión de recortes, permisos de disposición en tierra, reglas de descarga en alta mar).
- Consideraciones regulatorias: Cumplir con los requisitos de registro químico locales y regionales (por ejemplo, TSCA en España, REACH en la UE) y permisos de vertido ambiental. La información de SDS y gestión del producto debe estar disponible y seguirse.
11. Consideraciones de coste y suministro
- Factores que influyen en el coste: materia prima de celulosa, grado (peso molecular), procesamiento para reducir polvo y modificaciones especiales (por ejemplo, grado de sustitución hidroxietil). Un HEC de menor grado suele ser más barato; los grados de alto rendimiento, tolerantes a sal, o de bajo polvo tienen precios más altos.
- Logística: El HEC generalmente se envía en sacos o a granel, almacenado en seco. Las suspensiones premezcladas o concentrados líquidos reducen el riesgo de manejo en alta mar, pero aumentan el coste y pueden requerir tanques de almacenamiento.
12. Criterios prácticos de selección y flujo de decisión
- Si la temperatura en el fondo del pozo < ~80°C y la salinidad es baja a moderada: HEC suele ser una opción buena y rentable como viscosificador primario.
- Si la temperatura > ~100°C o se espera exposición sostenida a altas temperaturas: evalúe polímeros termoestables o modificadores de reología sintéticos; HEC puede usarse en las secciones superiores del pozo para limpieza, pero no como el polímero principal en profundidad.
- Si están presentes salmueras de alta salinidad o altos niveles de Ca/Mg: pruebe grados de HEC tolerantes a la sal en laboratorio o elija polímeros alternativos optimizados para la estabilidad en salmuera.
- Si la prioridad es bajo impacto ambiental y biodegradabilidad: La biodegradabilidad del HEC es una ventaja, pero confirme los aditivos y co-solventes utilizados en la formulación.
13. Estudio de caso 1 — pozo horizontal de lutita en tierra firme
Contexto: Un pozo horizontal de lutita de 10,000 pies en una formación de lutita en España. La operación utilizó un fluido de perforación a base de agua por razones de costo y medio ambiente. Temperatura esperada en el pozo: 80–95°C; salinidad del agua de formación: baja a moderada (TDS ~5,000–15,000 ppm).
Formulación y objetivos:
- Agua base: agua dulce con KCl 2 wt% para mínima inhibición de lutita
- HEC: 1.5 lb/bbl (5.35 kg/m3) de una gradación de HEC de MW medio
- Bentonita: 3–4 lb/bbl para proporcionar reología básica de arcilla y mejorar el control de sólidos
- Aditivos para pérdida de fluido: 0.5 lb/bbl de almidón + 0.5 lb/bbl de PAC-LV
- Peso del lodo: 10.5 ppg (1.26 g/cc)
- Objetivos de reología en superficie:
- Fann 600/300 rpm: 45/30 ⇒ PV = 15 cP, YP = 15 lb/100 ft^2
- Gel 10s/10min: 6 / 10 lb/100 ft^2
- Pérdida de fluido API (30 min/100 psi): 10–12 mL
Resultados operativos:
- Buena limpieza del pozo en el intervalo de 8½ pulgadas; el transporte de recortes fue efectivo en la lateral debido a una adecuada fuerza de gel de baja corte y equilibrio YP/ROP.
- Al perforar en un intervalo de carbonato que introdujo formación de agua producida (TDS >20,000 ppm con Ca2+), se produjo una caída observada en la viscosidad (caída de PV de 15 a 9 cP) después de una afluencia de agua de formación. Mitigación: se añadió 1.0 lb/bbl de PAC-R y 0.5 lb/bbl de xanthan para recuperar la viscosidad y mejorar la tolerancia a la sal. Las pruebas de laboratorio posteriores recomendaron cambiar a una gradación de HEC tolerante a la sal para futuros pozos.
Relación costo/beneficio: El HEC proporcionó un viscosificador de bajo costo que satisfizo las necesidades de limpieza del pozo en la mayor parte de la lateral. El costo de un tratamiento de fluido para recuperar la reología después de la contaminación por salmuera fue menor que cambiar a un sistema completamente sintético, haciendo que el HEC fuera apropiado para la economía del campo.
14. Estudio de caso 2 — desarrollo en aguas profundas en alta mar
Contexto: Un pozo en aguas profundas con una profundidad total de 17,000 pies y temperatura prevista en fondo de pozo de 130°C. La saturación de salmuera en algunas zonas y la alta presión requerían propiedades robustas del fluido. Los límites de descarga ambiental eran estrictos.
Formulación y objetivos:
- Fluido base: WBM a base de agua de mar con baritina para ponderación
- HEC: utilizado en las secciones superiores del pozo a 0.6–1.0 lb/bbl solo para transporte de portátiles y recortes (no utilizado en zonas de alta temperatura más profundas)
- Control primario de la rheología en profundidad: PAC-R y polímeros sintéticos con mejor tolerancia térmica, además de polímeros de pérdida de fluido HPHT
- Peso del lodo: 12.0–12.5 ppg (para controlar la presión)
- Rheología en superficie (parte superior del pozo con HEC):
- Fann 600/300 rpm: 55/35 ⇒ PV = 20 cP, YP = 15 lb/100 ft^2
- Pérdida de fluido API (30 min): 9 mL
Resultados operativos:
- El HEC ofreció una buena limpieza y torque manejable en las secciones de conductor e intermedias. Por debajo del zapato de 9⅝” donde las temperaturas superaron los 110°C, el rendimiento del HEC disminuyó; el lodo fue transferido a una mezcla de PAC/sintética preparada en tierra y se introdujo a través del zapato para garantizar la estabilidad.
- Implicaciones de costos: pre-ensamblar polímeros sintéticos y realizar un cambio de fluido costó más en logística y materiales, pero evitó problemas de descomposición térmica y eventos costosos de atascamiento de tubería.
15. Lista de verificación práctica para resolución de problemas (acciones en campo cuando surjan problemas relacionados con HEC)
- Si la viscosidad cae progresivamente: verificar la tendencia de temperatura en fondo de pozo, verificar excursiones de oxidante o pH, realizar una prueba de laboratorio para degradación del polímero.
- Si la viscosidad cae repentinamente: muestra para contaminación por salmuera (conductividad, valoración de cloruro) y entrada de sólidos; añada polímeros tolerantes a la sal o quelantes según sea necesario.
- Si hay agrupamiento al mezclar: detenga la adición, diluya la pasta y vuelva a homogeneizar usando equipo de mezcla de alta cizalla; considere una pasta prehidratada.
- Si la pérdida por filtración es alta: añada sólidos de puente (por ejemplo, almidones submicronicos, PAC, bentonita fina) y reevalúe la distribución de tamaño de partículas (PSD) de sólidos y baritina.
- Si los recortes se sedimentan: aumente la resistencia a la gelificación de baja cizalla mediante pequeños incrementos de HEC o xantana mientras mantiene los objetivos de PV.
16. Participación del proveedor y pruebas de laboratorio
- Siempre valide la selección de grado de HEC con pruebas de laboratorio que simulen la temperatura del campo, salinidad, historia de cizalla y exposiciones químicas. Las pruebas de banco deben incluir reología a múltiples temperaturas, pérdida por filtración API/HPHT y protocolos de envejecimiento (reacción en caliente durante la noche/24–72 h).
- Obtenga la ficha de datos de seguridad (SDS), vida útil y procedimientos de mezcla recomendados de los proveedores. Solicite datos representativos de laboratorio sobre tolerancia a la sal y envejecimiento por calor.
17. Conclusiones y recomendaciones
- El HEC es un espesante y ayuda a la suspensión rentable y versátil para muchas operaciones de perforación con agua, especialmente adecuado para pozos terrestres y costeros poco profundos con temperaturas y salinidades moderadas.
- Utilice HEC donde la biodegradabilidad, el costo y la facilidad de mezcla sean prioridades; sin embargo, integre una planificación de contingencias para excursiones de sal o calor teniendo disponibles opciones de polímeros tolerantes a la sal y al calor.
- El éxito en el campo depende de la selección adecuada del grado, el protocolo de mezcla y la monitorización continua (reología, peso de barro, pérdida por filtración). La confirmación rápida en laboratorio de cualquier cambio inesperado en la reología evita pérdidas de tiempo y eventos costosos de pesca/atascos.
- Siempre tenga en cuenta las regulaciones ambientales, las medidas de salud ocupacional (control de polvo) y las reglas locales de disposición en la selección y uso de HEC.
Apéndice: Números operativos y objetivos de referencia rápida
- Dosificación típica de HEC: 0.5–2.0 lb/bbl para WBM general; hasta 4 lb/bbl para demandas especiales de alto gel.
- Reología típica (objetivos de trabajo, superficie):
- PV: 8–30 cP
- YP: 5–40 lb/100 ft^2
- Gel 10s/10min: 2–10 / 6–20 lb/100 ft^2
- Objetivos de pérdida de fluido:
- API (30 min/100 psi): <15 mL para muchas operaciones
- HPHT: <10 mL para completaciones exigentes (dependiente de la temperatura)
- Directriz de temperatura: calidades estándar de HEC hasta aproximadamente 80–120°C; valide una calidad específica con envejecimiento en laboratorio antes de usar por encima de 80°C.
Lista de verificación práctica final antes de usar HEC en un pozo
- Prueba de laboratorio que selecciona la calidad de HEC con composición de salmuera esperada y perfil de temperatura de envejecimiento.
- Prepare el protocolo de mezcla y tenga capacidad de prehidratación o alta cizalladura en el sitio.
- Almacene polímeros tolerantes a la sal, mezclas de PAC y agentes de control de filtración como contingencia.
- Implemente monitoreo rutinario de reología y pérdida de filtrado y análisis de tendencias.
- Asegure que el SDS, EPP y medidas de control de polvo estén en su lugar; planifique la disposición final en cumplimiento con la regulación local.
LANDU proporciona al ingeniero de perforación y al tecnólogo de lodos una hoja de ruta práctica para cuándo y cómo usar HEC, qué limitaciones esperar y cómo responder cuando surjan problemas. Para cualquier plan de pozo específico, proporcione: temperatura prevista en fondo de pozo, salinidad del agua de formación y iones principales, geometría del pozo (inclinado), y si las restricciones ambientales o de vertido favorecen WBM sobre sistemas no acuosos; con esos detalles, se puede elaborar un formulación de laboratorio a medida y un programa de envejecimiento.
Español de Perú 
English 
العربية 
Deutsch 
Português do Brasil 
Français 
Русский 
Italiano 
Türkçe 
Suomi 
Nederlands 
한국어 
日本語 
Português 
Български 
Čeština 
Dansk 
Ελληνικά 
Eesti 
Magyar 
Bahasa Indonesia 
Lietuvių kalba 
Latviešu valoda 
Norsk bokmål 
Polski 
Română 
Slovenčina 
Slovenščina 
Svenska 
Українська