República Bolivariana De Venezuela Ministerio Del Del Poder Popular Popular Para La Defensa Defensa Universidad Nacional Experimental Politécnica De La Fuerza Armada Bolivariana “Núcleo Barinas” U.N.E.F.A
Bachilleres: Ing: Rafael Ramírez
CI.. 20.408.102 Ángel Antonio CI CI.. 20.150.813 Arias Esteban CI Guerrero Kimberlyn CI. 20.407.952 Medina Karina CI. 19.056.125 Pimentel Xiomar CI. 20.406.473 Ramírez Franklin CI. 16.791.597
VI Semestre de Ing. De Gas
Barinas, noviembre de 2010.
INTRODUCCION
Sección: “A”
Dentro del campo de la Industria Petrolífera, no cabe duda de que los fluidos juegan un papel muy importante, pues se se puede decir que estos estos son factores de suma relevancia al momento de llevar a cabo una determinada perforación.
En vist vistaa de ello ello,, un flui fluido do se hace hace pres presen ente te en cual cualqu quie ierr circ circun unst stan anci ciaa de la vida vida,, independientemente de cual sea el estado de trabajo, bien se menciono al principio que para o dentro de la industria petrolera este es de suma importancia; pero viéndolo o resaltándolo desde otro punto de vista hay que enfatizar que un fluido es toda sustancia que a través del tiempo se ira deformando. A continuación se estará llevando a cabo y/o se estará desglosando todo aquello concerniente a los fluidos, tales como sus características, tipos, entre otros aspectos que actúan en el.
CONTENIDO •
Introducción.
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Definición de un fluido.
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Características de los fluidos.
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Tipos de fluidos.
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Régimen o patrones de flujo de los fluidos.
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Modelos Reologicos.
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Caídas de presión en tuberías.
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Diseño de la hidráulica de un lodo.
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Reología de los diferentes tipos de fluidos de perforación en el laboratorio.
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Conclusión.
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Bibliografía.
FLUIDO Un fluido es una sustancia o medio continuo que se deforma continuamente en el tiempo ante la aplicación de una solicitación o tensión tangencial sin importar la magnitud de ésta. Todos Todos los los flui fluidos dos está están n compu compues esto toss de molé molécul culas as que se encuen encuentr tran an en movimiento constante. Sin embargo, en la mayor parte de las aplicaciones de ingeniería, nos interesa más conocer el efecto global o promedio (es decir , macroscópico) de las numerosas moléculas que
forman el fluido. Son estos efectos macroscópicos los que realmente podemos percibir percibir y medir. Por lo anterior, se puede considerar que el fluido está idealmente compuesto de una sustancia infinitamente divisible (es decir, como un continuo) y no nos preocuparemos por el comportamiento de las moléculas individuales.
CARACTERISTICAS DE LOS FLUIDOS
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La posición relativa de sus moléculas puede cambiar continuamente.
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Todos los fluidos son compresibles en cierto grado. No obstante, los líquidos son mucho menos compresibles que los gases. Tienen viscosidad viscosidad,, aunque la viscosidad en los gases es mucho menor que en los
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líquidos. Toman las formas del recipiente que los contiene, debido a su separación molecular los
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fluidos
no
poseen
una
forma
definida
por
tanto
no
se
puede
calcular
su volu volume men n o dens densid idad ad a simp simple le vist vista, a, para para esto esto se intr introd oduc ucee el flui fluido do en un reci recipi pien ente te en el cual cual toma oma su for forma y así así pode podemo moss cal calcula cularr su volum olumeen y densidad, esto facilita su estudio.
TIPOS DE FLUIDOS Los fluidos se pueden clasificar de acuerdo a diferentes características que presentan en: •
Newtonianos: Son aquello Newtonianos: aquelloss fluidos fluidos donde donde el esfuer esfuerzo zo cortant cortantee es direct directame amente nte proporcional proporcional a la rapidez rapidez de deformación. deformación. La mayor parte de los fluidos comunes como el agua, agua, el aire, y la gasolina son prácticamente newtonianos bajo condiciones normales.
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No Newto Newtonianos nianos:: El término término no newtonia newtoniano no se utiliz utilizaa para para clasif clasificar icar todos los fluidos donde el esfuerzo cortante no es directamente proporcional a la rapidez de deformación. Numerosos fluidos comunes tienen un comportamiento no newtoniano. Dos ejemplos ejemplos muy claros son la crema dental y la pintura Lucite. Lucite. Esta última es muy "espesa" cuando se encuentra en su recipiente, pero se "adelgaza" si se extiende con una brocha. De este modo, se toma una gran cantidad de pintura para no repetir la operación muchas veces. La crema dental se comporta como un "fluido" cuando se presiona presiona el tubo contenedor. contenedor. Sin embargo, embargo, no fluye por sí misma cuando se deja abierto el recipiente. Existe un esfuerzo límite, de cedencia, por debajo del cual la crema dental se comporta como un sólido. En rigor, nuestra definición de fluido es
válida válida únicame únicamente nte para para aquello aquelloss materiales que tienen tienen un valor valor cero cero para para este este esfuerzo de cedencia.
REGIMEN O PATRONES DE FLUJO DE LOS FLUIDOS
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Flujos Flujos Viscos Viscosos os y no Viscos Viscosos: os: La subdivi subdivisió sión n princip principal al señalad señaladaa en la figura figura anterior se tiene entre los flujos viscosos y no viscosos. En un flujo no viscoso se supone supone que la viscosi viscosidad dad de fluido fluido u, vale vale cero. cero. Evidente Evidentemen mente, te, tales tales flujos flujos no existen; sin embargo; se tienen numerosos problemas donde esta hipótesis puede simplificar el análisis y al mismo tiempo ofrecer resultados significativos. (Si bien, los los anál anális isis is simp simpli lifi fica cado doss siem siempr pree son son dese deseab able les, s, los los resu result ltad ados os debe deben n ser ser razonablemente exactos para que tengan algún valor.) Dentro de la subdivisión de flujo flujo viscoso viscoso podemos podemos conside considerar rar proble problemas mas de dos clases clases princip principale ales. s. Flujos Flujos llamados incompresibles, en los cuales las variaciones de densidad son pequeñas y relativ relativame amente nte poco poco import importante antes. s. Flujos Flujos conocido conocidoss como compre compresibl sibles es donde donde las variaciones de densidad juegan un papel dominante como es el caso de los gases a velocidades muy altas. Estudiaremos ambos casos dentro del área general de flujos no viscosos. Por otra parte, todos los fluidos poseen viscosidad, por lo que los flujos viscosos resultan de la mayor importancia en el estudio de mecánica de fluidos.
Flujos Flujos Laminares Laminares y Turbulentos: Turbulentos: Los flujos flujos viscoso viscososs se pueden pueden clasif clasificar icar en laminares o turbulentos teniendo en cuenta la estructura interna del flujo. En un régimen laminar, la estructura del flujo se caracteriza por el movimiento de láminas o capas. La estructura del flujo en un régimen turbulento por otro lado, se caracteriza por los movimientos movimientos tridimensional tridimensionales, es, aleatorios, aleatorios, de las partículas partículas de fluido, fluido, super superpue puesto stoss al movimi movimient ento o promed promedio. io. En un flujo flujo laminar laminar no existe existe un estado macroscópico de las capas de fluido adyacentes entre sí. Un filamento delgado de tinta que se inyecte en un flujo laminar aparece como una sola línea; no se presenta
dispersión de la tinta a través del flujo, excepto una difusión muy lenta debido al movimiento molecular. Así, por ejemplo, ejemplo, la naturaleza naturaleza del flujo (laminar (laminar o turbulento) turbulento) a través de un tubo se puede establec establecer er teniendo teniendo en cuenta cuenta el valor valor de un parámet parámetro ro adimensional, adimensional, el el número número de Reyno Reynold lds, s, Re = pVD/ pVD/u, u, donde donde p es la dens densida idad d del del fluid fluido, o, V la velo velocid cidad ad promedio, promedio, D el el diámetro diámetro del tubo tubo y u la viscosid viscosidad. ad.
Flujo laminar Distribución de un fluido deperfecto velocidades en al interior torno al perfil dede unun tubo objeto. con flujo turbulento.
Flujo Compresible y Flujo Incompresible: Aquellos flujos donde las variaciones en densidad son insignificantes se denominan incompresibles; cuando las variaciones en densidad dentro de un flujo no se pueden despreciar, se llaman compresibles. Si se consideran los dos estados de la materia incluidos en la definición de fluido, líquido y gas, gas, se podría caer en el error de generalizar diciendo que todos los flujos líquidos son flujos incompresibles y que todos los flujos de gases son flujos compresibles. La primera primera parte de esta generalización generalización es correcta correcta para la mayor parte de los casos prácticos, prácticos, es decir, casi todos los flujos líquidos líquidos son esencialmente esencialmente incompresible incompresibles. s. Por otra parte, los flujos de gases se pueden también considerar como incompresibles si las velocidades son pequeñas respecto a la velocidad del sonido en el fluido; la razón de la velocidad del flujo, V, a la velocidad del sonido, c, en el medio fluido recibe el nombre de número de Mach, M, es decir, M=V/c.
MODELOS REOLOGICOS Plásti Plástico co ideal ideal o de Bingha Bingham: m: Se denomina plástico ideal o de Bingham a las sust sustan anci cias as o flui fluido doss que que para para tens tensio ione ness tang tangen enci cial ales es infe inferi rior ores es a un valo valor r característico 0 τ se compor comportan tan elásti elásticame camente nte,, y supera superado do ese valor valor muestr muestran an un compo comport rtam amie iento nto simi simila larr al de un flui fluido do newt newtoni oniano ano.. A este este tipo tipo de flui fluido do lo
caracteriza dos constantes, la tensión tangencial de fluencia que es el valor de 0 coeficiente de viscosidad viscosidad plástica plástica p µ dado por la τ para que se inicie el flujo, y el coeficiente pendiente pendiente dτ dγ . La relación que siguen los plásticos de Bingham es:
τ= τ0+ µ p γ ,
donde:
τ= esfuerzo cortante aplicado τ0 = esfuerzo de fluencia o de deformación inicial γ = tasa de corte, dv/dy (gradiente de velocidad) µ p = viscosidad plástica El modelo de plástico de Bingham es aplicable al comportamiento de muchos fluidos de la vida real como plásticos, emulsiones, pinturas, lodos de perforación y sólidos en suspensión en líquidos o agua. Ley de Potencia: Es un modelo de dos parámetros para el cual la viscosidad absoluta disminuye a medida que la tasa de corte aumenta. La relación entre la tasa de corte y el esfuerzo de corte está dada por la siguiente ecuación:
τ = κ γ n : índice de consistencia n: índice de comportamiento
n>1: Reoespesante n<1: Reofluidizante n=1: Newtoniano
No existe un término término para el punto punto de cedencia por tanto tanto bajo este modelo modelo los fluidos comienzan a fluir a una tasa de corte cero. Viendo estos dos modelos se diferencian en las siguientes características en que el modelo plástico plástico el fluido comienza comienza a generar movimientos movimientos después después que el corte se ha aplicado, y en la ley de potencia no importa si este haya aplicado ya un esfuerzo mínimo superior al corte, éste fluirá sin dicho esfuerzo.
CAÍDAS DE PRESIÓN EN TUBERÍAS: La caída de presión es uno de los factores que frecuentemente se ignoran al calcular las dimensiones de los sistemas sistemas.. Los datos datossobre sobre caídas de presión para equipo son por lo general proporcionados por el fabricante del equipo. Normalmente se conoce la presión presión estática en el sistema sistema.. En algunos casos puede hacerse muy poco acerca de las
tuberías existentes, las cuales pueden ser de un tamaño marginal o definitivamente demasiado pequeñas. En este caso, otros proce procedimiento dimientoss, tales como instalar una unidad de mayor tamaño o aumentar el diámetro de la tubería en secciones críticas del sistema, pueden ser necesarios. La manera en que puede calcularse una caída de presión típica y el flujo requerido, podría parece podría parecer r un un proces proceso o complicado. complicado. Sin embargo, embargo, solamente solamente consiste de una serie de pasos sencillos. Es importante conocer los requisitos específicos del código de tuberías que han sido adoptados, y puestos en vigor, por la jurisdicción responsable de vigilar la seguridad e integridad de construcciones construcciones y tuberías tuberías en el área geográfica de instalaciones de equipo de tratamiento. Geometría de Hidráulica: Tuberías, Revestimientos, longitudes de secciones, etc. Fueron siempre involucradas en la determinación de las pérdidas de presión en un pozo, sin embargo embargo el uso uso de tuberías tuberías más grandes grandes de perforac perforación ión (6 5/8” 5/8” y 5 7/8”) han cambiado estos conceptos por el notable aumento en el área interna de circulación y por la disminución disminución en el diámetro diámetro hidráulico, hidráulico, siendo este ultimo altamente altamente influenciado por la presencia de las uniones de cada tubo de perforación, los cuales hasta la fecha eran voluntariamente ignorados.
Variación de los espacios anulares.
DISEÑO DE LA HIDRÁULICA DE UN LODO El Fluido de Perforación es un fluido de características químicas y físicas apropiadas, que puede ser aire o gas gas,, agua agua,, petról petróleo eo y combinaciones de agua y aceite con diferente contenido de sólidos. No debe ser tóxico, corrosivo ni inflamable, pero sí inerte a las contaminaciones de sales solubles o minerales y además, estable a altas temperaturas. Debe mantener sus propiedades según las exigencias de las operaciones y debe ser inmune al desarrollo de bacteri de bacterias as.. El objetivo principal que se desea lograr con un fluido de perforación, es garantizar la seguridad y rapidez del proceso de perforación, perforación, mediante mediante su tratamiento tratamiento a medida que se profundizan profundizan las formaciones formaciones de altas presiones, la circulación de dicho fluido se inicia al comenzar la perforación y sólo debe interrumpirse al agregar cada tubo, o durante el tiempo que dure el viaje que se genere por el cambio de la mecha. Entre sus principales Funciones se encuentran:
Transportar los Ripios de Perforación, Derrumbes o Cortes desde el Fondo del Hoyo hasta la Superficie: Los ripios de perforación deben ser retirados del
pozo a medida que son generados generados por la rotación rotación de la mecha; para lograrlo, lograrlo, el fluido de perforación se hace circular dentro de la columna de perforación y con la ayuda de la mecha mecha se transp transport ortan an los recortes recortes hasta hasta la superf superficie icie,, subiend subiendo o por el espaci espacio o anular. La remoción eficaz y continua de los ripios, depende del tamaño, forma y densidad de los recortes, de la velocidad de penetración, rotación de la columna de perforación perforación y de la viscosidad viscosidad,, siendo el parámetro más importante, la velocidad anular del fluido de perforación, el cual depende del caudal o régimen de bombeo y para esto, esto, el fluido fluido debe ser bombeado bombeado a la presión presión y volumen adecuado, logrando que el fondo del hoyo se mantenga limpio. Controlar las Presiones de la Formación: El fluido de perforación se prepara con la finalidad de contrarrestar la presión natural de los fluidos en las formaciones. Se debe alcanzar un equilibrio equilibrio justo, justo, es decir , un equilibrio tal en el que la presión ejercida por el fluido fluido de perfor perforació ación n (presi (presión ón hidrostática hidrostática)) contr contraa las las pare paredes des del del pozo pozo sea sea suficiente para contrarrestar la presión que ejercen los fluidos que se encuentran en las formaciones, el petról el petróleo eo y el gas; pero que no sea tan fuerte que dañe el pozo. Si el peso del fluido de perforación perforación fuese muy grande, podría podría provocar provocar la fractura fractura de la roca y el fluido de perforación se perdería hacia la formación. Limpiar, Enfriar y Lubricar la Mecha y la Sarta de Perforación: A medida que la mecha y la sarta de perforación perforación se introducen en el hoyo, se produce fricción y calor . Los fluidos de perforación perforación brindan lubricación y enfriamiento enfriamiento mediante la capacidad capacidad calorífica y conductividad térmica que estos poseen, para que el calor sea removido del fondo del hoyo, transportado a la superficie y disipado a la atm atmósfera, ósfera, y así permitir permitir que el proceso proceso de perforación perforación continúe continúe sin proble sin problemas mas y se pueda prolongar la vida útil de la mecha. La lubricación puede ser de especial importancia para los pozos de alcances extendidos u horizontales, en los que la fricción entre la tubería de perforación, perforación, la mecha y la la superficie superficie de la roca debe debe ser mínima. mínima. Preven Prevenir ir Derru Derrumb mbes es de Form Formac ació ión n Sopo Soporta rtando ndo las las Pared Paredes es del Hoyo Hoyo: La estabilidad del pozo depende del equilibrio entre los factores mecánicos (presión y esfuerzo) y los factores químicos. La composición química química y y las propiedades del fluido de perforación deben combinarse para proporcionar la estabilidad del pozo hasta que se pueda introducir y cementar la tubería de revestimiento. Independientemente de la composición química del fluido de perforación, el peso de debe estar comprendido dentro del intervalo necesario para equilibrar las fuerzas mecánicas que actúan sobre el pozo (presión de la formación, esfuerzos del pozo relacionados con la orientación y la tectónica). La inestabilidad del pozo se identifica por el derrumbe de la formación, causando la reducción del hoyo, lo cual requiere generalmente el ensanchamiento del pozo hasta la profundidad original. Además, el fluido de perforación debe ofrecer la máxima protección para no dañar las formaciones productoras durante el proceso de perforación.
Sumini Suminist strar rar un Revo Revoqu quee Liso Liso,, Delg Delgado ado e Imper Imperme meab able le para para Prot Protege egerr la Productividad de la Formación: Un revoque es un recubrimiento impermeable que
se forma en la pared del hoyo, debido al proceso de filtración, la cual puede ocurrir bajo condiciones tanto dinámicas como estáticas, durante las operaciones de perforación. La filtración bajo condiciones dinámicas ocurre mientras el fluido de perforación está circulando circulando y bajo condiciones condiciones estática ocurre durante las conexiones conexiones,, los viajes o cuando el fluido no está circulando.
Ayuda Ayudarr a Sopor Soporta tar, r, por por Flot Flotac ació ión, n, el Peso Peso de la Sarta Sarta de Perf Perfora oraci ción ón y del Revestimiento: La inmersión de la tubería de perforación en el fluido produce un efecto de flotación, lo cual reduce su peso y hace que se ejerza menos presión en el mecani mecanismo smo de perfor perforaci ación; ón; puest puesto o que, que, con el increm increment ento o de la profun profundid didad ad de perforación el peso que soporta el equipo se hace cada vez mayor, con lo cual el peso de una sarta de perforación o de revestimiento puede exceder las 200 toneladas y esto puede causar grandes esfuerzos sobre los l os equipos de superficie.
El peso de la sarta de perforación y la tubería de revestimiento en el fluido de perforación, perforación, es igual a su peso en el aire multiplicado multiplicado por el factor de flotación. flotación. A medida que aumenta el peso del fluido de perforación, disminuye el peso de la tubería. Transmitir la Potencia Hidráulica a la Formación por Debajo de la Mecha: En perforación perforación de pozos, cuando se habla de hidráulica hidráulica se hace referencia a la relación entre los efectos que pueden causar la viscosidad, la tasa de flujo y la presión de circulación sobre el comportamiento eficiente del fluido de perforación.
Durante la circulación, el fluido de perforación es expulsado a través de las boquillas de la mecha a gran velocidad. velocidad. La energía hidráulica hidráulica hace que la superficie superficie por debajo de la mecha esté libre de recortes para así maximizar la velocidad de penetración; ya que, si estos no son removidos la mecha sigue retriturando los viejos recortes, lo que reduce reduce la velocid velocidad ad de penetra penetración ción.. Esta Esta energía energía tambié también n aliment alimentaa los motore motoress de fondo fondo que hacen hacen girar girar la mecha. mecha. Las propie propiedade dadess reológ reológicas icas ejerce ejercen n influenc influencia ia considerable sobre la potencia hidráulica aplicada y por lo tanto deben mantenerse en valores adecuados.
REOLOGÍA DE LOS DIFERENTES TIPOS DE FLUIDOS DE PERFORACIÓN EN EL LABORATORIO Los ensayos son utilizados para determinar sus posibles alteraciones en el campo provocados provocados por diferentes diferentes tipos tipos de contaminante contaminantes. s.
Fluidos de base agua Características físicas: densidad, filtrado y Reologia a 120 f Características químicas: alcalinidad del fluido (PM), alcalinidad de filtrado (PfMf), MBT, cloruros, dureza cálcica. Fluidos Base Aceite Físicos: Densidad, Reología 150ºF, Estabilidad Eléctrica, Filtrado HP-HT.
Quimicos: Alcalinidad (POM), Cloruros.
Ensayos físicos DENSIDAD:
Es la masa de la muestra por unidad de volumen se expresa en: • gr/lt (gramos por litro) • lb/gal- ppg (Libras por Galón) {8.345 ppg = 1000 gr/lt} • lb/ft³ (libras por pié cúbico) FILTRADO API • Es la pérdida de volumen de Fase continua, medida en c.c. Luego de 30´, a 100 psi.
FILTRADO HP- HT • Es la pérdida de volumen de Fase continua, medida en c.c. Luego de 30´, a 500 psi
diferenciales y a 250ºF. Ensayos químicos Alcalinidad (Pm) • Permite medir la concentración de OH, en el Fluido, también el exceso de Cal libre en el Fluido.
Alcalinidad del Filtrado (PfMf)
• Perm Permit itee medi medirr la conc concen entr trac ació ión n de OH, OH, disu disuel elto toss en el Flui Fluido do,, tamb tambié ién n la concentración de Carbonatos y Bicarbonatos. M.B.T (metilen Blue Test Test))
• Es la reacción de las Arcillas al Azul de Metileno; se produce una coloración coloración de las mismas debido al intercambio catiónico. CLORUROS
• Método de titulación con Nitrato Nitrato de Plata, que permite determinar la concentración de cloruros disueltos en el Fluido y también él % en peso de sal. Dureza Cálcica
• Método de titulación con EDTA (Acido Etilen Diamínico Tetra Acético), que permite permite determinar determinar la la concentración concentración de Ión Ión Calcio, Calcio, disuelto disuelto en el fluido. Determinación de Sólidos y Líquidos
• Se realiza por medio de una "Retorta", donde la muestra es calcinada dentro de la celda; quedando los sólidos en su interior y evaporando los líquidos, para luego ser condensados.
• Con este método se determina el % de Sólidos, % de Agua y % de hidrocarburos hidrocarburos,, presentes presentes en el Fluido.
CONCLUSION Sin duda alguna, se podría decir que a este nivel de la carrera o la facultad de Ing. De Gas hablar de fluidos debe hacerse familiar o mejor aun algo cotidiano, pues para nadie como ingeniero es un secreto que un fluido es el día a día por decirlo de alguna manera en el campo
de trabajo. Puesto a que a lo largo de todo ese desempeño y labor profesional de esta rama de la ingeniería el término fluido no faltara en nuestra jerga o vocabulario técnico. Por otra parte no faltara el manejo de sus propiedades como lo son la temperatura, presión, viscosidad, densidad entre otros parámetros que formen parte de la misma.
Mas allá de todo ello, se tendría tendría que estar estar al tanto tanto princip principalm almente ente de esas esas propie propiedade dadess menci menciona onadas das anter anterior iorme mente nte,, pues pues ella ellass sin sin duda duda algun algunaa son son condic condicion iones es netam netament entee indi indisp spen ensa sabl bles es dent dentro ro de un pozo pozo,, por por su part partee tamb tambié ién n se tend tendrí ríaa que que estu estudi diar ar el compor comportam tamient iento o de las mismas mismas bien bien sea a través través de cálcul cálculos os u otras otras herrami herramienta entass que permitan permitan su estudio, estudio, de esta manera pues se hará mas fácil o accesible accesible el manejo de todas estas propiedades. El término de fluidos puede resultar un poco extenso y complejo; para ello se hace necesario analizar de modo paulatino el concepto de lo que es un fluido, de allí en adelante se ira comprendiendo todo lo que a este tema concierne.
Otro de los puntos relevantes que se mencionaron o bien dicho se enfatizaron durante el desarrollo de este tema fue el de la clasificación de los fluidos, las cuales se basan de acuerdo a las características que estos puedan presentar, puede deducirse que sin características no habría clasificación en vista de que estas giran o se determina en torno a ellas, bueno independientemente de lo dicho siempre un fluido va a presentar ambas cosas, es algo así como un teorema o axioma. De modo concluyente se puede resaltar que la importancia de todo fluido se centra básicamente en su estructura molecular, a partir de ella se derivara todo aquello que hoy esta sujeto a estudios.
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