Propiedades Reológicas de los Fluidos de Perforación
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. Reología 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
Esfuerzo de corte, Velocidad de corte Viscosidad = 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
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.
Viscosidad Efectiva VE = Viscosidad Efectiva, centipoise VE = 300 x Indicación del Cuadrante/ 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
Diferentes nombres para el Viscosímetro Concéntrico • Viscosímetro • Reómetro • Viscosímetro VG
Viscosidad Plástica Definición • Resistencia al flujo debido a la fricción mecánica.
Afectada por: • Concentración de sólidos • Tamaño y forma de los sólidos • Viscosidad de la fase fluida
Cómo calcular la Viscosidad Plástica (VP): • VP = q600 - q300 Ejemplo: • VP = 40 - 25 = 15
Viscosidad Plástica Aumentada por: •Sólidos Perforados Hidratables – Arcillas, lutitas. •Sólidos Perforados Inertes – Arena, caliza, etc. •Materia Coloidal – Almidón, CMC. • 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
Efecto del Tamaño de las Partículas sobre la Viscosidad
VP, PC vs. Peso del Lodo, lbs/gal
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. Impacto de la concentración de Sólidos en la Viscosidad del Fluido.
Punto Cedente Definición: • Resistencia al flujo causada por la dispersión o la atracción eléctrica entre los sólidos. 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. • Sobre tratamiento con Carbonato de Sodio o Bicarbonato de Sodio. • Adición de sólidos inertes (como la barita) . • 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? ØSe 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? ØIndica 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. ¿Qué indican generalmente los Grandes Aumentos Simultáneos de la VP y del PC? ØUn aumento en el contenido de arcillas reactivas en el lodo. ¿Cómo debería tratarse esta situación? ØCon 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. • El esfuerzo de gel depende del tiempo, de la temperatura, y de la concentración y resistencia de las partículas en atracción.
Problemas Atribuidos a Viscosidad y Esfuerzos de Gel Altos • Mayor presión de bombeo para romper la circulación. • Pér dida 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.
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 q 600 = 80 q 300 = 40 VP = 40 PC = 0
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.
Si la indicación del cuadrante (q) 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 q 600 = 68 q 300 = 40
Modelos Reológicos
Modelos Reológicos Flujo Plástico de Bingham Ley Exponencial Ecuación de Flujo Plástico de Bingham F = PC + VP (R/300) VP = Viscosidad Plástica PC = Punto Cedente R = Velocidad Rotacional en RPM F = Indicación del Cuadrante a la Velocidad R
Modelo de Flujo - Plástico de Bingham
Ecuación de Ley Exponencial F = K (RPM)n F = Esfuerzo de Corte, unidades del cuadrante RPM = Velocidad de Corte, velocidad rotacional K = Índice de Consistencia n = Índice de Ley Exponencial
Modelo de Ley Exponencial
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 (q600/ q300) Valor n para el Espacio Anular na = 0,657 log (q100/ q3)
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
Valor K para el Espacio Anular
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
REGIMENES 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
Etapa 1: Ningún Flujo
Etapa 2: Flujo Tapón
Etapa 3: Transición (Tapón a Laminar)
Etapa 4: Flujo Laminar (Ordenado)
Etapa 5: Transición (Laminar a Turbulento).
Etapa 6: Flujo Turbulento
Número de Reynolds
Tipo de Flujo
El Sistema de Circulación Funciona a Diferentes Velocidades de Corte
Geometría Anular
Secuencia de Cálculos para la Tubería y el Espacio Anular
