ENSAYO N°3 – DETERMINACIÓN DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES REOLÓGICAS 3.1 OBJETIVO En esta práctica se tiene por objetivo determinar las propiedades reológicas de un lodo de perforación mediante el uso de un viscosímetro rotativo (Reómetro). 3.2 FUNDAMENTO TEÓRICO Por definición la viscosidad es la resistencia de un fluido a fluir; como ya se ha visto en un ensayo anterior la viscosidad sirve para suspender los recortes en el espacio anular así como ofrecer seguridad contra otro tipo de problemas que se presentan en el pozo. Sin embargo, es necesario advertir acerca de las desventajas de perforar con un lodo de viscosidad excesivamente alta, lo que puede ocasionar algunos de los siguientes problemas:
Baja velocidad de penetración. Aparición de sobrepresiones y depresiones cuando se baja y se eleva la sarta de perforación. Aumentos sensibles en el costo de la inyección introducidos por las exigencias de un mayor tratamiento químico. En general se tiene el aumento de problemas como resultado de una mayor presión fluctuante en el sistema.
3.2.1 Viscosidad La viscosidad se define como la resistencia interna al flujo de un fluido. También se la puede definir como la relación existente entre el esfuerzo de corte y la velocidad de corte de un fluido. 3.2.2 Reología La reología es el estudio de la viscosidad y las deformaciones en el flujo de un fluido de perforación cuando este se encuentra en movimiento. Las propiedades reológicas están definidas por el esfuerzo de corte ( t ) y la velocidad de corte ( y ) que son los factores que originan la composición de la viscosidad y dan lugar a las variables reológicas que son:
Viscosidad Plástica ( VP). Punto Cedente o Yield Point ( PC o YP).
3.2.2.1 Viscosidad Plástica (VP ) La viscosidad plástica es la resistencia al flujo de un fluido debida principalmente a la fricción entre las partículas suspendidas y la viscosidad de la fase fluida continua. Para casos prácticos la viscosidad plástica depende de la cantidad de sólidos y la forma de las partículas que forman estos sólidos.
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3.2.2.2 Punto Cedente (PC o YP ) Es la resistencia al flujo causada por la atracción molecular, que es el resultado de la atracción de las cargas positivas o negativas situadas en o cerca de las partículas en condiciones de flujo, esta variable depende de la viscosidad absoluta continua, el volumen de los sólidos, el volumen del lodo dispersado, la atracción o repulsión entre partículas sólidas o entre partículas sólidas y las fases del fluido. 3.2.2.3 Viscosidad Aparente (VAP ) Es la medida de la viscosidad de un fluido en determinado tiempo bajo las condiciones de temperatura y agitación no normalizadas y depende de la proporción del flujo comprendida en la medición, así como de sus condiciones ambientales. Para los fluidos de perforación la viscosidad aparente generalmente disminuye cuando la proporción del flujo aumenta. 3.2.3 Modelos Reológicos Las variables reológicas del lodo son importantes en los cálculos de hidráulica de fluidos, ya que a partir de estas variables (VP y YP) se han establecido los modelos reológicos que ayudan a predecir el comportamiento de los fluidos sobre una amplia escala de velocidades de corte. Los modelos reológicos más importantes aplicables a los fluidos de perforación son:
Modelo de Bingham. Modelo de Ley de Potencia. Modelo de Herschel – Bulkley (MHB).
En el laboratorio y en el pozo se usan los viscosímetros rotativos (viscosímetro de Fann, reómetro, etc.) como un medio de evaluar cuantitativamente las propiedades reológicas del fluido de perforación, respecto a estos parámetros podemos hacer las siguientes consideraciones de tipo práctico:
Si la viscosidad plástica es alta es aconsejable agregar agua para reducir la concentración de los sólidos. Si el punto de fluencia o punto cedente es alto se deben agregar productos químicos para reducir las fuerzas de atracción entre las partículas de arcilla, en último caso ayuda también el incrementar agua para así aumentar la distancia entre las partículas de arcilla y reducir de este modo las fuerzas de atracción. Si la viscosidad absoluta debe ser levantada para el transporte de recortes con bajas velocidades de flujo, un método eficaz es el de incrementar el punto de fluencia.
3.2.3.1 Definiciones de Términos Reológicos
Velocidad de Corte ( ).- Cambio de velocidad del fluido dividido por el ancho del canal a través del cual ]. La velocidad de rotación en un el flujo se desplaza en un flujo laminar. Esta se expresa en [ viscosímetro estándar de campo en el cual es medido el esfuerzo cortante, esta se expresa en [ rpm]. Esfuerzo de Corte ( ).- La fuerza por unidad de superficie requerida para mover un fluido a una velocidad de corte. El esfuerzo cortante se mide en viscosímetros de campo por la deflexión del dial del
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medidor a una velocidad de corte dada. La lectura específica del dial es generalmente denotada por θ. Esta se expresa en [Pa] o
.
Viscosidad ( ).- Esfuerzo cortante de un fluido dividido por el correspondiente índice de corte, o . La viscosidad del fluido se puede medir en un punto determinado sobre una amplia escala de mediciones de esfuerzo cortante por índice cortante. Esta se expresa en [P], [cP] o [Pa*s]. Viscosidad Efectiva ( ).- La viscosidad usada para describir al fluido que fluye a través de una geometría particular; al cambiar las geometrías del pozo también cambia la . Esta se expresa en [ cP] o [Pa*s]. Punto Cedente o Yield Point (PC, YP o ).- La fuerza requerida para iniciar el flujo; el valor calculado del . El esfuerzo cortante del fluido cuando el reograma es extrapolado al eje de las Y donde punto cedente [PC ] es una medida independiente del tiempo y generalmente está asociado con el
modelo de Bingham. Esta se expresa en
.
Viscosidad Plástica (VP ).- La contribución a la viscosidad del fluido de un fluido bajo condiciones dinámicas de flujo. La viscosidad plástica está generalmente relacionada con el tamaño, forma y numero de las partículas de un fluido en movimiento. Esta se expresa en: [ cP] o [Pa*s]. se calcula usando los esfuerzos cortantes medidos a y en un viscosímetro rotativo. Índice de Flujo (n).- La relación numérica entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte de un fluido en escala “log/log”. Este valor describe el grado de comportamiento adelgazante por corte de un fluido. Índice de Consistencia ( K ).- La viscosidad de un fluido que fluye, de idéntico concepto que VP. Los efectos viscosos atribuidos al esfuerzo cortante de un fluido no son parte del índice de consistencia, puesto que este parámetro describe solamente el flujo dinámico.
o [Pa].
Resistencia Gel.- Mediciones del esfuerzo cortante de un fluido dependiente del tiempo bajo condiciones estáticas. Las resistencias del gel son medidas comúnmente después de intervalos de 10 segundos, 1 minuto, 10 minutos y 30 minutos, pero pueden ser medidas para cualquier espacio de tiempo deseado. Esta se expresa en
Reología e hidráulica de fluidos son términos de ingeniería que describen el comportamiento de los fluidos en movimiento que circulan a través de las tuberías y espacios anulares de la sarta de perforación según sus regímenes de flujo. Para la aplicación de los modelos reológicos es necesario el uso de ecuaciones matemáticas que han sido construidas usando parámetros reológicos como los índices de consistencia y de comportamiento de flujo, los cuales son de particular importancia en el cálculo de las velocidades y caídas de presión durante la circulación del fluido de perforación. 3.2.4 Índices de Consistencia y de Comportamiento de Flujo Dentro del control de la ingeniería de lodos y en la aplicación de los modelos reológicos, más específicamente en los programas de hidráulica de la perforación es útil conocer la velocidad de flujo del lodo en el pozo, tanto en el interior de la tubería como en el espacio anular, con lo cual se determinan perfiles de velocidad por medio del cálculo de dos tipos de índices que están directamente ligados a las propiedades reológicas del lodo, estos índices son:
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Índice de comportamiento de flujo ( n). Índice de consistencia ( K ).
3.2.5 Índice de Comportamiento de Flujo (n).Es un numero adimensional que indica la relación existente entre la viscosidad plástica y el punto cedente de un lodo. Este valor describe el grado de comportamiento adelgazante por corte de un fluido entre el esfuerzo cortante y la velocidad de corte. Matemáticamente se expresa como:
Si se tienen los esfuerzos de corte:
3.2.6 Índice de Consistencia ( k ) Es una relación existente entre la reología del lodo y el índice de consistencia de este. El índice de consistencia se calcula por la siguiente expresión:
Si se tienen los esfuerzos de corte:
La aplicación de estos índices está ligada a los cálculos de hidráulica de perforación para encontrar las velocidades de flujo de lodo, el número de Reynolds, la velocidad de caída de los recortes, etc. Normalmente para encontrar el VP y el YP es necesario sustituir los valores de los esfuerzos de corte en complicadas fórmulas para determinar la velocidad plástica, el punto cedente y la viscosidad aparente, pero usando un viscosímetro rotativo el trabajo se hace más simple con el reemplazo de las lecturas de θ a 600 y 300 RPM en: Viscosidad Plástica: Punto Cedente: Viscosidad aparente:
en [cP] en
en [cP]
3.3 REÓMETRO El reómetro es un viscosímetro que está diseñado para permitir obtener lecturas directas, opera en forma rotacional por medio de un cilindro externo (BOB) que es accionado por un operador haciendo girar un
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manubrio en forma circular para obtener una velocidad angular que a través de un sistema de engranajes internos produce velocidades de 300 y 600 revoluciones por minuto [rpm], las cuales pueden ser seleccionadas alternativamente por una palanca de cambio. Un peso que conecta interiormente con un resorte indica la fuerza de torsión (generada por el efecto de rotación) necesaria para romper el gel que se forma en la muestra de lodo y es indicada en una escala dial (ojo de pollo). Posee dos cilindros concéntricos en cuyo espacio anular esta contenido el fluido de perforación. El cilindro exterior o manguito de rotor es accionado a una velocidad rotacional (RPM) constante. La rotación del manguito de rotor en el fluido impone un torque sobre el balancín (BOB) o cilindro interior. Un resorte de torsión limita el movimiento del balancín y su desplazamiento es indicado por un cuadrante acoplado al balancín. De este instrumento se puede obtener la viscosidad plástica y el punto cedente usando las indicaciones derivadas de las velocidades del manguito de rotor de 600 y 300 RPM. Que son controladas por la palanca de selección de velocidad. La velocidad está dada en alta y baja. 3.4 PROCEDIMIENTO Coloque el instrumento sobre una superficie bien nivelada y verifique que su plataforma se encuentre firmemente asentada.
Asegure el peso en el interior del cilindro rotatorio. Deposite una muestra de lodo recientemente agitado en el recipiente de prueba y colóquelo en la plataforma exactamente debajo del cilindro rotatorio (BOB). Cuando el cilindro rotatorio exterior y el peso interior estén firmemente asegurados, baje el conjunto hasta que esté sumergido en la muestra exactamente hasta la línea marcada en el cilindro rotor. Para sostenerlo en esta posición, apriete la cerradura de tornillo (vuelta de tuerca) en la pata izquierda del instrumento. Accione la palanca de alta y baja velocidad en la posición correspondiente a “alta”.
Coloque la palanca de cambios en (600 rpm) tirando de esta hacia arriba hasta que encaje dentro de su retenedor. LA PALANCA DE CAMBIOS SOLO DEBE MOVERSE MIENTRAS EL MOTOR ESTÁ FUNCIONANDO. Cuando la lectura sea constante registre esta como el esfuerzo de corte a 600 revoluciones por minuto como . Repetir el mismo procedimiento pero colocando la palanca en baja velocidad y manteniendo la palanca de cambios en la posición superior (en esta caso 300 rpm). Cuando la lectura sea constante registre esta como el esfuerzo de corte a 300 revoluciones por minuto como .
Las mangas y el BOB del reómetro deben ser lavadas después de cada operación.
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3.5 CÁLCULOS 1. Calcular las viscosidades plásticas y puntos cedentes. 2. Calcular los índices de consistencia y de comportamiento de flujo. 3. Calcular la velocidad crítica y el caudal crítico con cada lodo para un pozo con: (D)= 8,5” Diámetro del pozo: (D)= 7,0” Diámetro de la tubería: Mediante:
Dónde:
) (
X : Factor adimensional : Velocidad crítica [ft/min] : Caudal crítico [GPM] : Densidad del lodo [LPG]
3.6 CUESTIONARIO 1. 2. 3. 4. 5. 6.
¿Cuál es la importancia de las propiedades reológicas en la perforación? ¿Qué es la viscosidad aparente? ¿Para qué sirven los índices de consistencia y comportamiento de flujo? Defina lo que es Shear rate y Shear stress. ¿Con qué otro instrumento se puede medir la reología de un lodo de perforación? ¿Qué es la velocidad crítica y el caudal crítico?
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DETERMINACIÓN DE LAS PROPIEDADES REOLÓGICAS Nombre:……………………………………………………………………………………………………………….Fecha:……………………………………. Código:………………..…………………………………
NÚMERO DE LODO LODO 1 LODO 2
NÚMERO DE LODO LODO 1 LODO 2
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DENSIDAD [LPG]
VP [cp]
REFLEXIÓN DEL DIAL θ - 600 θ - 300
YP
] [
VAP [cp]
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