Desarrollo de las propiedades de los agentes de sostén: el aumento de su resistencia mecánica mediante recubrimiento cerámico, la reducción de su densidad y la disminución de la fa...

• Autores: Torres, Camila Irene
• Año de publicación: 2025
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: Bianchi, Gustavo Luis; Miquelarena, Carlos Pablo
• Materia: Ingeniería; Cerámica; Resistencia mecánica; Recubrimiento; Agente de sostén
• Institución: Universidad Nacional de La Plata

En el contexto de la matriz energética argentina, dominada por el gas y el petróleo, el yacimiento no convencional de Vaca Muerta ha cobrado una importancia estratégica, elevando la participación de la cuenca neuquina en la producción nacional de petróleo del 40% en 2013 al 65% en 2024. Más del 75% de esta producción se basa en la fractura hidráulica, una técnica que requiere el uso de agentes de sostén (o proppants) para mantener abiertas las fracturas generadas en la roca. Estos materiales, generalmente esféricos y de tamaño milimétrico, deben soportar condiciones extremas de presión, temperatura y corrosión, exigiendo una elevada resistencia mecánica y química. Existe un compromiso fundamental entre la densidad del agente de sostén y su rendimiento: una menor densidad facilita su transporte en el fluido de fractura, pero tiende a disminuir su resistencia mecánica. El objetivo principal de esta tesis fue desarrollar procedimientos para fabricar agentes de sostén cerámicos livianos con propiedades mecánicas mejoradas. Para ello, la investigación se estructuró en tres ejes principales: el desarrollo de recubrimientos cerámicos para aumentar la resistencia, la reducción de la densidad mediante la incorporación de porosidad y la disminución de la fase vítrea para mejorar la cristalinidad y, por ende, la performance mecánica del material. El primer estudio se centró en la aplicación de recubrimientos cerámicos. Inicialmente, se evaluaron formulaciones a base de alúmina, sílice fume y talco sobre sustratos cilíndricos. Se determinó que la mezcla denominada AST (alúmina, sílice y talco) fue la que brindó los mejores resultados, minimizando el ancho de fisura a 15 µm y mejorando la homogeneidad del recubrimiento. Sin embargo, se observó que la incompatibilidad en la contracción térmica entre el sustrato y el recubrimiento durante la sinterización generaba tensiones que provocaban el agrietamiento del propio sustrato, evidenciando una fuerte adhesión entre las capas. En cuanto a las técnicas de aplicación sobre los agentes de sostén, el método por spray coating con la mezcla AST no logró una capa uniforme. En contraste, la aplicación en seco de una mezcla sólida compuesta por bauxita, arcilla caolinítica (APM1) y talco demostró ser más efectiva, mostrando una excelente adherencia y homogeneidad. Esta formulación mejoró significativamente la resistencia mecánica del agente de sostén, logrando una reducción de aproximadamente un 45% en la generación de finos durante el ensayo de aplastamiento (crush test), cumpliendo con la norma API 19C. El análisis mediante espectroscopía de dispersión de energía de rayos X (EDS) confirmó una buena integración entre el núcleo y la capa externa, con una zona de transición química de al menos 10 µm de espesor, lo que explica la notable mejora en las propiedades mecánicas. El segundo eje de la investigación abordó la reducción de la densidad para facilitar el transporte del agente de sostén en el pozo. Se empleó el método del molde de sacrificio, incorporando resina fenólica como precursor de porosidad durante la etapa de granulado. Si bien esta estrategia permitió reducir la densidad de los agentes de sostén entre un 6% y un 8%, comprometió severamente su resistencia mecánica, generando un porcentaje de finos superior al límite aceptado por la normativa. Para solucionar este problema, se aplicó el recubrimiento de bauxita/arcilla/talco desarrollado en la etapa anterior sobre los agentes porosos. Esta combinación resultó exitosa: se obtuvieron agentes de sostén con una densidad media de 2.42 g/cm³ y un porcentaje de finos del 9.3% para la arcilla APM1, y valores similares (2.43 g/cm³ y 9.5% de finos) para la arcilla APM3. Ambos cumplieron con el requisito de resistencia mecánica. Se observó que el uso de un tensioactivo en la mezcla de granulado mejoró la distribución de la resina, generando poros más uniformes y redondeados. No obstante, un análisis por difracción de rayos X (DRX) reveló que la adición de resina fenólica promovía la formación de una mayor cantidad de fase vítrea (amorfa) al inhibir la cristalización de cristobalita, un efecto indeseado que va en detrimento de la resistencia del material. El último capítulo se dedicó a resolver este problema, buscando reducir la fase vítrea para mejorar la cristalinidad. Se plantearon dos estrategias innovadoras aplicadas durante el granulado. La primera consistió en modificar la química coloidal de la suspensión de arcilla, ajustando el pH del agua de conformado a valores ácidos, cercanos al punto de carga cero de las partículas (pH 1.2-1.45). Este ajuste promovió un mayor acercamiento entre las partículas durante la granulación, lo que facilitó los mecanismos de difusión y cristalización durante la sinterización, logrando reducir la fase amorfa en aproximadamente un 40%. La segunda estrategia fue la incorporación de sílice coloidal como agente nucleante para fomentar la formación de cristobalita. El estudio demostró que la combinación de ambas estrategias fue la más efectiva: el uso de sílice coloidal en un medio con pH ácido potenció ambos efectos, alcanzando una reducción de la fase vítrea de hasta un 60%, logrando así un contenido de fase amorfa final del 25%, cumpliendo uno de los objetivos clave del trabajo. En conclusión, esta tesis demostró que es posible fabricar agentes de sostén cerámicos livianos y de alta resistencia mediante un control riguroso de la composición, la microestructura y las condiciones de procesamiento. Se desarrolló un recubrimiento a base de bauxita que aumenta la resistencia mecánica en un 45%. Se estableció un procedimiento para obtener agentes de sostén con densidades de ~2.42 g/cm³ que cumplen con las normativas industriales combinando la inducción de porosidad con la aplicación de dicho recubrimiento. Finalmente, se implementó una novedosa estrategia de control de pH y adición de sílice coloidal que reduce drásticamente la formación de fase vítrea, mejorando la cristalinidad del material. Estos hallazgos abren nuevas vías para la optimización de materiales cerámicos destinados a la industria del petróleo y gas.
Doctor en Ingeniería
Universidad Nacional de La Plata
Facultad de Ingeniería