Descubrí cuál era el problema. En MongoEngine "conectar" método, el replicaSet el parámetro necesitaba ser especificado de la siguiente manera:
connect(db = "my_db", replicaSet = "my_replica_set_name", host = "hostname", port = "port_number")
La sintaxis de la preferencia de lectura es correcta como se especificó anteriormente. Pasando el replicaSet el parámetro lo hizo funcionar.
