Propiedades Reológicas de los Fluidos de Perforación
Reología Ciencia que estudia la deformación y del flujo de la Materia. Es posible determinar el comportamiento de un fluido bajo diversas condiciones, incluyendo la Temperatura, Presión y la Velocidad de Corte.
Viscosidad Resistencia de un Fluido al movimiento. Viscosidad, es el término reológico mas conocido.
Términos para describir las propiedades reológicas del Fluido de Perforación:
• Viscosidad de Embudo.- seg/qt ó seg/Lt • Viscosidad Aparente.- Centipoises (cP) ó mPa*seg. • Viscosidad Efectiva.- Centipoises ó mPa*seg. • Viscosidad Plástica.- lb/100ft2 ó Pa. • Viscosidad a baja velocidad de corte.- cP ó mPa*seg • Esfuerzos de Gel .- lb/100ft2 ó Pa.
• 100 centipoise (cp) = 1 poise • Centipoise es la dimensión usada para expresar: • Viscosidad plástica • Viscosidad aparente • Viscosidad efectiva
Las dimensiones de lbs/100 pies cuadrados son usadas para expresar: • Punto cedente • Gel inicial (10 segundos) • Gel a 10 minutos (10 minutos)
Viscosidad de Embudo
VISCOSIDAD Medida con el Viscosímetro Fann Lectura a 600 RPM: Lectura a 300 RPM Viscosidad Plástica Punto Cedente
VISCOSIDAD DE EMBUDO Medida con el embudo Marsh
Tiempo: Volumen:
38 segundos ¼ de galón
32 20 12 cp. 8 lbs/100 pie2
Esfuerzo de corte, Velocidad de corte Otra forma de describir a la Viscosidad es la relación entre el Esfuerzo de Corte y Velocidad de Corte
Esfuerzo de Corte Viscosidad = Velocidad de Corte
Viscosidad Fuerza Velocidad o Indicación del Cuadrante RPM
Esfuerzo de Corte • Fuerza interna que resiste al flujo • Reportado como indicación del cuadrante en un viscosímetro VG • Pérdida de presión del sistema
Velocidad de Corte • La velocidad (media o calculada) de propagación del fluido en el medio • La velocidad es indicada por RPM en un viscosímetro VG • La velocidad anular en el sistema de circulación es un ejemplo de la velocidad de propagación en el medio
Velocidad de Corte
Columna de Perforación
Espacio Anular
Formación
Viscosidad Efectiva
VE = Viscosidad Efectiva, centipoise 300 x Indicación del Cuadrante
VE = RPM
Factores Afectados por la Reología del Fluido
• Limpieza del pozo • Suspensión de sólidos • Estabilidad del pozo • Control de sólidos • Densidades equivalentes de circulación • Presiones de surgencia / pistoneo
Perfil Transversal de un Viscosímetro Cuadrante
Resorte
Aguja Indicadora
Manguito
Balancín
Manguito
Viscosímetro de Cilindro Concéntrico Para viscosímetros de campo petrolífero: 600 RPM = 1022 seg. -1 300 RPM = 511 seg. -1 1 Unidad del Cuadrante (Lectura)= 1.067 lb/100 pies cuadrados
Diferentes nombres para el Viscosímetro Concéntrico
• Viscosímetro • Reómetro • Viscosímetro VG
Viscosidad Plástica Definición • Resistencia al flujo debido a la fricción mecánica.
Viscosidad Plástica Afectada por: • Concentración de sólidos • Tamaño y forma de los sólidos • Viscosidad de la fase fluida
Viscosidad Plástica Cómo calcular la Viscosidad Plástica (VP): • VP = θ600 - θ300 Ejemplo: • VP = 40 - 25 = 15
Viscosidad Plástica Aumentada por: Sólidos Perforados Hidratables – Arcillas, lutitas.
Sólidos Perforados Inertes – Arena, caliza, etc.
Materia Coloidal – Almidón, CMC.
Viscosidad Plástica Aumentada por:
• Material densificante para aumentar la densidad • Descomposición de las partículas, lo cual aumenta el área superficial y resulta en mayor fricción
Área Superficial vs. Tamaño de las Partículas
Cubo de 6 pulgadas
Cubo de 1 pulgada Cubo de 1 pie VOLUMEN 1 pie cub. = 1728 pulg 3 8 cubos de 6 pulg. = 1728 pulg 3 1728 cubos de 1 pulg.= 1728 pulg 3
ÁREA SUPERFICIAL 1 pie3 = 864 pulg 2 8 cubos de 6 pulg. = 1728 pulg 2 1728 cubos de 1 pulg.= 10,368 pulg 2
10,368 - 864 = aumento de 9504 pulg2
Efecto del Tamaño de las Partículas sobre la Viscosidad Viscosidad Aparente, cP 200
160 0-3
Barita
120 Barita Regular
80 40
10
11
12
13
14
Peso del Lodo, lbs/gal
15
Viscosidad Plástica, Punto Cedente y I
VP, PC vs. Peso del Lodo, lbs/gal VP, PC vs. Peso del Lodo, lbs/gal 50 45 40
VP máx. recomendada
35 30 25 20
MBT máx. recomendada
15 10
PC máx. recomendado
5 0 9
10
11
12
13
14 15 16 17 Peso del Lodo, lbs/gal
18
19
20
21
Viscosidad Plástica Reducida por: Eliminación de Sólidos • Zaranda • Desarenadores, desarcilladores y centrífugas • La reducción del esfuerzo de gel permite la sedimentación de partículas más grandes • Dilución de sólidos con agua
Impacto de la concentración de Sólidos en la Viscosidad del Fluido.
Viscosidad
Añadir producto Químico
Añadir más Producto Químico
Sólidos de Baja Gravedad Específica
No Hay Otra Opción – Se debe añadir agua porque el producto químico no es eficaz
Punto Cedente Definición: • Resistencia al flujo causada por la dispersión o la atracción eléctrica entre los sólidos.
Punto Cedente Afectado por: • Tipo de sólidos y cargas asociadas. • Concentración de estos sólidos. • Sales disueltas.
El Punto Cedente se incrementa debido a:
• Arcillas y lutitas perforadas hidratables que aumentan el contenido de sólidos reactivos. • Concentración insuficiente de desfloculantes.
El Punto Cedente se incrementa debido a:
• Sobre tratamiento con Carbonato de Sodio o Bicarbonato de Sodio. • Adición de sólidos inertes (como la barita) .
El Punto Cedente se incrementa debido a:
• Contaminantes. – Sal, cemento, anhidrita, gases ácidos, etc. Neutralizan las cargas de las partículas de arcilla, causando la floculación
• La fracturación de partículas de arcilla hace que fuerzas residuales permanezcan en los bordes de las partículas, resultando en la floculación.
El Punto Cedente es controlado por:
• Desfloculación de las arcillas. • Eliminación del ion contaminante.
El Punto Cedente es reducido por: • La floculación es un problema de química y debe ser tratado con un producto químico. • La adición de agua minimizará la floculación, pero no soluciona el problema. • Grandes adiciones de agua también reducen el peso del lodo. Esto puede requerir grandes adiciones de material densificante, lo cual podría ser muy costoso.
Interpretación de los Valores de VG ¿Qué significa cuando se aumenta el PC y la VP apenas cambia? Ø Se trata de un problema químico que se puede reducir sólo con la adición de un desfloculante.
¿Qué significa cuando se aumenta la VP y el PC apenas cambia? Ø Indica un problema de alta concentración de sólidos que se puede reducir bien con dilución o con el uso apropiado del equipo para control de sólidos
Interpretación de los Valores de VG
¿Qué indican generalmente los Grandes Aumentos Simultáneos de la VP y del PC? Ø Un aumento en el contenido de arcillas reactivas en el lodo
¿Cómo debería tratarse esta situación? Ø Con el uso de desfloculanes y dilución simultánea
Esfuerzo de Gel • Los Esfuerzos de Gel reducen la velocidad de sedimentación de los recortes cuando se interrumpe la circulación • La estructura de gel se desarrolla cuando el lodo está estático
Esfuerzo de Gel
• El esfuerzo de gel depende del tiempo, de la temperatura, y de la concentración y resistencia de las partículas en atracción.
Geles
PROGRESIVOS
FRÁGILES
Tiempo
Problemas Atribuidos a Viscosidad y Esfuerzos de Gel Altos • Mayor presión de bombeo para romper la circulación • Pérdida de circulación causada por aumentos bruscos de la presión • Pistoneo de la lutita y de los fluidos de la formación dentro del pozo • Arena abrasiva transportada en el lodo
Esfuerzo de Corte Aumento rápido de la velocidad de corte
B
Aumento lento de la velocidad de corte
C
CURVA DE EQUILIBRIO
A
Disminución rápida de la velocidad de corte
0
100
200
300
400
Velocidad de Corte
500
600
Tipos de fluidos
Newtonianos No Newtonianos
Fluidos Newtonianos El fluido es Newtoniano si la indicación del cuadrante (IC) a 600 RPM es el doble de la indicación del cuadrante a 300 RPM El Punto Cedente es 0
θ 600 = 80 θ 300 = 40 VP = 40 PC = 0
ESFUERZO DE CORTE
Fluidos Newtonianos
VELOCIDAD DE CORTE
Fluidos No Newtonianos • La viscosidad depende de la velocidad de corte • Disminuyen su viscosidad con el esfuerzo de corte • En un flujo laminar, los fluidos No Newtonianos son menos viscosos a altas velocidades de corte que a bajas velocidades de corte
Fluidos No Newtonianos Si la indicación del cuadrante (θ) a 600 RPM es menos del doble de la indicación del cuadrante a 300 RPM, se trata de un fluido que disminuye su viscosidad con el esfuerzo de corte, o de un fluido No Newtoniano NO NEWTONIANO θ 600 = 68 θ 300 = 40
ESFUERZO DE CORTE
Fluidos No Newtonianos
VELOCIDAD DE CORTE
Modelos Reológicos Indicaciones del Cuadrante del Viscosímetro VG 80 Modelo de Flujo Plástico de Bingham
60
Fluido de Perforación Típico
40 Ley Exponencial
20 Newtoniano 0 0
100
200
300
RPM
400
500
600
Modelos Reológicos
Flujo Plástico de Bingham Ley Exponencial
Ecuación de Flujo Plástico de Bingham F = PC + VP VP PC R F
= = = =
R 300
Viscosidad Plástica Punto Cedente Velocidad Rotacional en RPM Indicación del Cuadrante a la Velocidad R
INDICACIÓN DEL CUADRANTE DEL VISCOSÍMETRO FANN
Modelo de Flujo - Plástico de Bingham
40
θ600 θ300
25
VP PC 10 0
300 RPM
600
= 40 = 25 = 15 = 10
Ecuación de Ley Exponencial
F = K F
=
RPM = K n
= =
n (RPM)
Esfuerzo de Corte, unidades del cuadrante Velocidad de Corte, velocidad rotacional Índice de Consistencia Índice de Ley Exponencial
ESFUERZO DE CORTE
Modelo de Ley Exponencial
n
=
5 2 , 0 n
=
0,5
n
=
1
k
VELOCIDAD DE CORTE
Valor n • Índice de ley exponencial • Indica la capacidad de un fluido para disminuir su viscosidad con el esfuerzo de corte • A medida que “n” disminuye, el fluido disminuye cada vez más su viscosidad con el esfuerzo de corte
Valor n para la Tubería de Perforación
np = 3,32 log (θ600/ θ300)
Valor n para el Espacio Anular
na = 0,657 log (θ100/ θ3)
Qué Causa el Aumento de n
• Eliminación de sólidos reactivos • Adición de diluyentes químicos
Qué Causa la Disminución de n
• Adición de sólidos reactivos • Contaminación química
Valor K • Índice de Consistencia • Indica la viscosidad de un sistema a una baja velocidad de corte (un segundo recíproco) • Afectado por la concentración de viscosificador y sólidos
Valor K para la Tubería de Perforación
Kp =
θ300 np 511
Valor K para el Espacio Anular
Ka =
θ3
na
5,11
Qué Causa el Aumento de K
• Adición de sólidos reactivos y no reactivos • Contaminación química
Qué Causa la Disminución de K
• Eliminación de sólidos reactivos y no reactivos • Adición de desfloculantes químicos
REGíMENES DE FLUJO REOLÓGICOS
Determinación del Régimen de Flujo
• Número de Reynolds • Geometría del pozo • Propiedades del fluido
Número de Reynolds Depende de: • Densidad del Fluido • Geometría del pozo • Gasto de Bomba, Caudal • Viscosidad del fluido
Número de Reynolds 928 DV (MW) RN =
m
928 =
Constante
D V MW m
Diámetro hidráulico, pulg. Velocidad, pies/seg. Densidad del Fluido, lbs/gal Viscosidad, cp
= = = =
Etapa 1: Ningún Flujo
Columna de Perforación
Espacio Anular
Formación
Etapa 2: Flujo Tapón
Columna de Perforación
Espacio Anular
Formación
Etapa 3: Transición (Tapón a Laminar)
Columna de Perforación
Espacio Anular
Formación
Etapa 4: Flujo Laminar (Ordenado)
Columna de Perforación
Espacio Anular
Formación
Etapa 5: Transición (Laminar a Turbulento).
Columna de Perforación
Espacio Anular
Formación
Etapa 6: Flujo Turbulento
Corrientes turbulentas totalmente desarrolladas
Columna de Perforación
Espacio Anular
Formación
Número de Reynolds
< 2100 2100 - 4100 > 4100
Laminar Transicional Turbulento
Normalmente se puede suponer un flujo turbulento cuando el Número de Reynolds > 2100
Tipo de Flujo Agua
Colorante
Flujo Laminar
Flujo Turbulento
Agua
Colorante
El Sistema de Circulación Funciona a Diferentes Velocidades de Corte
Tanques Espacio Anular Tubería de Perforación Drill Collar Barrena
Menos de 5 seg -1 10 – 500 seg -1, siendo el valor típico 100 seg-1 100 – 500 seg -1 700 – 3,000 seg -1 +10,000 seg-1
Geometría Anular Superficie Revestimiento de Superficie Tubería de Perforación Tubería de Revestimiento Intermedia Tubería de Revestimiento Corta Drill Collar Pozo Abierto
Barrena
}
Geometría Anular
} }
}
TP y TR
TP y Liner TP y Pozo Abierto DC y Pozo Abierto
Secuencia de Cálculos para la Tubería y el Espacio Anular Prop. Lodo Geometrías Caudal
Calcular
Calcular
el valor n
el valor K
Calcular la Velocidad de Propagación en el Medio
Calcular la Viscosidad Efectiva
Si Rnum ≤ 2100
Calcular el Número de Reynolds
Si Rnum> 2100
Calcular el Factor de Fricción Laminar
Calcular el Factor de Fricción Turbulento
Calcular ?P para el siguiente intervalo hasta que se calcule el último intervalo Calcular ?P del Intervalo
Guardar ?P del Intervalo
Después de Calcular ?P para todos los intervalos
? Ps Intervalo Total
Anular: Calcular la ECD
F i n
