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fluidos de perforacion .... (www.chilonunellez.blogspot.com)
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Universidad del Zulia
Mayo de 2009Mayo de 2009
Tema 2: Fluidos de Tema 2: Fluidos de PerforaciónPerforación
Perforación IPerforación I
Tema 2: Fluidos de Perforación Tema 2: Fluidos de Perforación Tópicos:
– Definición. Funciones. Propiedades físicas. Clasificación de los fluidos de perforación. Componentes del fluido. Determinación de las propiedades de un fluido de perforación. Ciclo del fluido de perforación. Variación de la densidad de un fluido. Equipos de control de sólidos. Bombas para fluidos de perforación.
DEFINICIÓN:
El API define un fluido de perforación (F.P.) como un fluido de circulación utilizado en perforación rotatoria para realizar cualquiera o todas las funciones requeridas en una operación de perforación.
Fluidos de PerforaciónFluidos de Perforación
OTRA DEFINICIÓN: Es un fluido de características físico-químicas
apropiadas. Puede ser aire, gas, agua, petróleo y combinaciones de agua y aceite, con diferente contenido de sólidos. No debe ser tóxico, corrosivo, ni inflamable, pero sí inerte a contaminaciones de sales solubles o minerales y estable a cambios de temperaturas. Debe mantener sus propiedades según las exigencias de las operaciones y ser inmune al desarrollo de bacterias.
Fluidos de PerforaciónFluidos de Perforación
Fluidos de PerforaciónFluidos de Perforación FUNCIONES
1. Remover los sólidos del fondo del hoyo y transportarlos hasta la superficie.
• Densidad y viscosidad• Velocidad de circulación
Fluidos de PerforaciónFluidos de Perforación FUNCIONES2. Enfriar y lubricar mecha y
sarta de perforación.• Fricción con formaciones• Gasoil y químicos (lubricantes)
Fluidos de PerforaciónFluidos de Perforación FUNCIONES
3. Cubrir las paredes del hoyo con un revoque liso, delgado, flexible e impermeable.
• Concentración y dispersión de sólidos arcillosos comerciales.
Fluidos de PerforaciónFluidos de Perforación FUNCIONES
4. Controlar las presiones de las formaciones.
• Uso de densificantes (barita, hematita, siderita, magnetita, etc).
• Ph = 0.052 x (lbs/gal) x D (pie)• Ph = 0.00695 x (lbs/pie3) x
D(pie)
re
rrw
Ph > Py
Fluidos de PerforaciónFluidos de Perforación FUNCIONES (Cont.)5. Suspender sólidos y material densificante, cuando es
detenida temporalmente la circulación.• Tixotropía.• Resistencia de Gel evita precipitación del material
densificante.
Fluidos de PerforaciónFluidos de Perforación
FUNCIONES (Cont.)6. Soportar, por flotación, parte del peso de sarta de
perforación y tubería de revestimiento, durante su inserción en el hoyo.
• Wsarta = Wtp + W lb• Wsarta lodo = W sarta aire x Factor de Flotación• Ff = 1-(0.015 x (lb/gal)• Ff = 1-(0.002 x (lb/pie3)
Fluidos de PerforaciónFluidos de Perforación FUNCIONES (Cont.)7. Mantener en sitio y estabilizada la
pared del hoyo, evitando derrumbes.
• Estabilidad en paredes del hoyo.• Minimizar daño.
K
o
rdKdK
re
rrw
hh
Ph > Py
Kd < K
FUNCIONES (Cont.)8. Facilitar la máxima obtención de información sobre las
formaciones perforadas.• Información geológica.• Registros eléctricos.• Toma de núcleos.
Fluidos de PerforaciónFluidos de Perforación
UNIDAD COMPACTA DE PERFILAJEUNIDAD COMPACTA DE PERFILAJE
Fluidos de PerforaciónFluidos de Perforación FUNCIONES
(Cont.)9. Transmitir potencia
hidráulica a la mecha.
• Lodo es el medio de transmisión de potencia.
• Diseño de programa hidráulico.
Hoyo Abierto
Revestimiento
Revestimiento
Salida del fluido
Unión GiratoriaVertical
Kelly
Porta Mecha
FUNCIONES (Cont.)
10. Facilitar la separación de arena y demás sólidos en la superficie.
Fluidos de PerforaciónFluidos de Perforación
Fluidos de PerforaciónFluidos de Perforación
REQUISITOS MÍNIMOS
1. Extraer del hoyo los pedazos de formación que la barrena va cortando.
2. Proteger las paredes del pozo para que no se derrumben.
3. Mantener ocluidos a los fluidos de las formaciones atravesadas.
PARA ESTO, SE DEBE TENER CONTROL SOBRE LAS PROPIEDADES FISICAS
En guía
Propiedades FísicasPropiedades Físicas
DENSIDAD
1. Debe ser tal que la presión hidrostática originada en cualquier punto del hoyo, sea mayor que la presión de la formación en el mismo punto.
2. Puede variar de acuerdo a las necesidades del pozo.
3. En perforación, generalmente se expresa en lbs/gal.
En guía
Propiedades FísicasPropiedades Físicas
DENSIDAD (cont.)
Se puede determinar utilizando una balanza de lodo.
En guía
Propiedades FísicasPropiedades Físicas
VISCOSIDAD
1. Debe ser tal que el F.P. sea capaz, a una mínima velocidad de ascenso, de arrastrar los cortes de la barrena hacia la superficie.
2. No muy alta, ya que disminuiría la tasa de penetración y requeriría grandes niveles de energía.
3. No muy baja, porque se necesitaría una gran velocidad de ascenso de fluido para arrastrar los cortes.
En guía
Propiedades FísicasPropiedades Físicas
VISCOSIDAD (cont.)
Se puede determinar con un embudo Marsh, o con un viscosímetro.
En guía
Propiedades FísicasPropiedades Físicas
FILTRACIÓN
1. Sobre balance promedio de 200 a 400 lpc.
2. Esto produce una invasión del fluido del pozo hacia la formación, conocido como filtración.
3. En el laboratorio se utiliza el Filtroprensa para determinar la filtración que produce el lodo bajo ciertas condiciones.
En guía
Propiedades FísicasPropiedades Físicas FILTRACIÓN (cont.)
En guía
Propiedades FísicasPropiedades Físicas
REVOQUE
1. Siendo el lodo una suspensión coloidal, la filtración del pozo hacia la formación producirá en las paredes del hoyo acumulación de los sólidos arcillosos y formarán una costra que quedará adherida a la formación.
2. Debe ser impermeable, resistente flexible y delgado.
En guía
Clasificación de los F.P. Clasificación de los F.P.
Una amplia clasificación de fluidos de perforación se observa a continuación:
Líquidos
Base agua Gas naturalBase aceite Aire
Mezclas gas-líquido
Espuma Agua aireada
Gases
Clasificación de los F.P. (cont.) Clasificación de los F.P. (cont.) Los principales factores que determinan la selección de
fluidos de perforación son:
1. Tipos de formaciones a ser perforadas.
2. Rango de temperaturas, esfuerzos, permeabilidad y presiones exhibidas por las formaciones.
3. Procedimiento de evaluación de formaciones usado.
4. Calidad de agua disponible.
5. Consideraciones ecológicas y ambientales.
Sin embargo, muchas veces impera el ensayo y error
Clasificación de los F.P. (cont.) Clasificación de los F.P. (cont.)
Los lodos base agua son los más comúnmente usados. Los lodos base aceite son generalmente más costosos y requieren más procedimientos de control de contaminación que los base agua. Su uso normalmente se limita a perforación de formaciones de muy altas temperaturas, o formaciones adversamente afectadas por lodos base agua.
1. Consisten en una mezcla de sólidos, líquidos y químicos, con agua siendo la fase continua.
2. Algunos de los sólidos reaccionan con la fase agua y químicos disueltos, por lo tanto son llamados ‘sólidos reactivos’. La mayoría son arcillas hidratables.
3. Los químicos agregados al lodo restringen la actividad de estos, permitiendo que ciertas propiedades del F.P. se mantengan dentro de límites deseados.
Lodos base agua - Comentarios Lodos base agua - Comentarios
4. Los otros sólidos en un lodo no reaccionan con el agua y químicos de manera significativa, siendo llamados ‘sólidos inertes’.
5. Cualquier aceite que se agregue a un lodo base agua es emulsificado dentro de la fase agua, manteniéndose como pequeñas y discontinuas gotas (emulsión aceite en agua).
Lodos base agua – Comentarios Lodos base agua – Comentarios
1. Son similares en composición a los lodos base agua, excepto que la fase continua es aceite en lugar de agua, y gotas de agua están emulsificadas en la fase aceite.
2. Otra diferencia importante es que todos los sólidos son considerados inertes, debido a que no reaccionan con el aceite.
Lodos base aceite - Comentarios Lodos base aceite - Comentarios
Un F.P. base agua se compone de varias fases, cada una con propiedades particulares y todas en conjunto trabajan para mantener las propiedades del fluido en óptimas condiciones. Estas fases son:
Componentes de un F.P.Componentes de un F.P.
1. Fase Líquida.
2. Fase Sólida Reactiva.
3. Fase Sólida Inerte.
4. Fase Química.
En guía
Componentes de un F.P.Componentes de un F.P.
FASE LÍQUIDA
1. Es la fase continua o elemento que mantendrá en suspensión los diferentes aditivos o componentes de las otras fases.
2. Generalmente, agua dulce, agua salada, aceites.
En guía
Componentes de un F.P.Componentes de un F.P.
FASE SÓLIDA REACTIVA
1. Constituida por la arcilla, elemento que le dará cuerpo y gelatinosidad al fluido. En agua dulce, es la bentonita y su principal mineral es la montmorillonita. En agua salada, atapulguita.
2. La arcilla tiene una gravedad específica de 2.5 y su calidad se mide por el Rendimiento de la misma.
En guía
Componentes de un F.P.Componentes de un F.P.
FASE SÓLIDA REACTIVA (bentonita)
En guía
Componentes de un F.P.Componentes de un F.P.
FASE SÓLIDA INERTE
1. Es el elemento más pesado en el fluido. Se usa para aumentar la densidad del mismo, comúnmente es barita, cuya gravedad específica es 4.3. También están la hematita, galena, etc.
2. Existen otros sólidos inertes no deseables, los cuales son producto de la perforación. Su gravedad específica no es alta: arena, caliza, dolomita.
En guía
Componentes de un F.P.Componentes de un F.P.
FASE QUÍMICA
1. Grupo de aditivos que se encargan de mantener el fluido dentro de parámetros deseados.
2. Dispersantes, emulsificantes, reductores de viscosidad, controladores de filtrado, neutralizadores de pH, etc.
En guía
En guía
Determinación de la densidad final Determinación de la densidad final de un F.P. de un F.P.
Para esto, se deben hacer las siguientes consideraciones:
1. Peso final igual a la suma del peso de sus componentes.
2. Volumen final igual a la suma de volúmenes de sus componentes.
La densidad final será la relación entre el peso final y el volumen final, por ejemplo:
En guía
Determinación de la densidad Determinación de la densidad final de un F.P. final de un F.P.
f
f
V
W abowf WWWWW abowf VVVVV
Donde r es la densidad final, y:
Wf: Peso final del fluido. Ww: Peso del agua
Vf: Volumen final. Wo: Peso del petróleo
Wb: Peso de la barita Wa: Peso de arcilla
El peso de cualquier componente del fluido será:
)('..350. lbsVGVW
Donde G’ es la gravedad específica y V el volumen en bls.
En guía
……densidad final de un F.P. densidad final de un F.P.
Ejemplo # l0: Determine el peso de 300 barriles de una emulsión agua-petróleo si G’w=1.0 y la gravedad API del petróleo es 32. La emulsión tiene 15% de petróleo.
En guía
Solución: El peso final es igual a la suma del peso del agua y el peso del petróleo:
……densidad final de un F.P. densidad final de un F.P.
owf WWW ow VVbls 300 blsblsxVw 25530085.0
blsblsxVo 4530015.0 xVxGW '350
blsblsx
bllbs
W f 45325.131
5.1412550.1350
lbsW f 880.102
En guía
Ejemplo # l4: Determine la densidad final de un F.P. compuesto por 1700 bls de agua, 400 sacos de arcilla, 100 sacos de barita y 80 barriles de petróleo de 30º API.
Solución:
……densidad final de un F.P. densidad final de un F.P.
obawfobawff
ff VVVVVWWWWW
V
W ;;
lbsblsblxlbsWw 5950001700/350
lbsblsxblxlbsWo 2453280305.131
5.141/350
lbssacolbsxsaWa 40000/100cos400
lbssacolbsxsaWb 10000/100cos100
En guía
Ejemplo # l4 (cont.):
……densidad final de un F.P. densidad final de un F.P.
blsVblsVlbsW owf 80;1700;669532
blsblxlbslbsW
Va
aa 46
5.2/35040000
blsblxlbslbsW
Vb
bb 7
3.4/35010000
Finalmente, la densidad final es:
blsV f 1833
gallbsblgalblsx
lbsV
W
f
ff /7.8
/421833669532
Volumen de Fluido en CirculaciónVolumen de Fluido en Circulación
TPHLBHLBTPCSTSCF VVVVVVV ..
Para calcular este vol. es necesario conocer todos los componentes a través de los cuales el F.P. pasa. El vol. de circulación es igual al vol. del tanque de succión, más el vol. de todo el sistema de circulación:
En guía
El tanque de succión generalmente tiene forma rectangular y sus medidas están en pie. El vol. será:
)(,321178.0)( pieLxLxLLblsV
Volumen de Fluido en CirculaciónVolumen de Fluido en CirculaciónUna vista esquemática del ciclo del fluido de perforación:
El sistema de circulación del fluido de perforación es parte esencial del taladro. Sus dos componentes principales son: el equipo que forma el circuito de circulación y el fluido propiamente.
En guía
Volumen de Fluido en CirculaciónVolumen de Fluido en Circulación
pieblsxxCV /36.21158178.0
Ejemplo # 20: Determine la capacidad volumétrica en bls/pie y en bls/pulg de un tanque rectangular cuyos lados de la base son 8 x 15 pie.
lg/78.115801485.0 publsxxCV
En guía
Variación de la densidad del F.P.Variación de la densidad del F.P.La presión de formación debe ser controlada por la presión hidrostática del fluido de perforación. La densidad del F.P. debe ser tal que la presión frente a cualquier estrato sea mayor a la presión de la formación.
La presión de la formación aumenta con profundidad a un gradiente normal de 0.465 lpc/pie; esto no se cumple en todos los casos. Se requiere que se pueda variar la densidad del fluido para ejercer el control deseado.
El peso final de un fluido será igual al peso inicial, más el peso del material densificante usado.
En guía
Variación de la densidad del F.P.Variación de la densidad del F.P.
bif WWW VWVW
.
bifbbiiff VVVVVV ;
Como
Sustituyendo en la ec. anterior:
bbiibif VVVV
bbiibfif VVVV
fbbifi VV
Resolviendo para el vol. de barita:
gallbsx
gallbsV
V bfb
ifib /8.353.433.8;
f
ifib
VV
8.35
Un barril de barita pesa 1505 lbs. Multiplicando ambos miembros por 1505:
f
ifbW
8.35
1505 Ec. para aumento de densidad
En guía
Para disminución de densidad: Se hace el mismo análisis anterior, utilizando agua como diluyente.
33.8
f
fii
wf
fiiw
VVV
wif WWW
wifwwiiff VVVVVV ;
Ec. para disminución de densidad
Sustituyendo: wwiiwif VVVV
wwiiwfif VVVV
fiiwfw VV
En guía
Variación de la densidad del F.P.Variación de la densidad del F.P.Ejemplo # 29: Se requiere preparar 1000 bls de un F.P. cuyo rendimiento es de 90 bls/ton. El fluido debe tener 10% en volumen de petróleo de 20 ºAPI y una densidad de 8.9 lbs/gal. Determine: 1) Sacos de arcilla req., 2) bls de agua, 3) bls de petróleo, 4) Sacos de barita, 5) % en vol. de sólidos, 6)% en peso de sólidos.
Solución: 1) El volumen original de fluido compuesto por agua y arcilla corresponde a 900 bls, ya que el 10% de 1000 bls es petróleo. Por la def. de R.A, tenemos:
2000 lbs de acrilla se preparan> 90 bls de fluido
X<cuántos se pueden preparar con 900 bls
En guía
Variación de la densidad del F.P.Variación de la densidad del F.P.
lbsbls
lbsblsX 20000
902000.900
blsx
bllbs
lbsVa 23
5.2350
20000
En guía
Ejemplo # 29 (cont.):
Como 1 saco pesa 100 lbs, se requieren 200 sacos de arcilla.
2) Barriles de agua: Vw = 900 bls – Va. Vol. de arcilla es
blsVw 87723900
3) Barriles de petróleo: Vo = 100 bls
En guía
4) Sacos de barita: Primero, debemos calcular la densidad inicial.
Ejemplo # 29 (cont.):
blgalblsx
lbsWWW oawi /421000
gallbsx
xxx
i /56.8421000
5.1515.141
35010020000877350
Calculamos el peso de barita a agregar para aumentar la densidad a 8.9 lbs/gal.
lbsxxWb 1878556.88.3556.89.8
10001505
Como 1 saco pesa 100 lbs, se requieren 188 sacos de barita.
En guía
5) % en vol. de sólidos.
Ejemplo # 29 (cont.):100100% x
VVV
xVV
Sf
ba
f
sov
%55.31001000
3.435018785
23
xx
100100% xW
WWx
WW
Sf
ba
f
sow
6) % en peso de sólidos.
%4.10100
9.8421000
1878520000 x
gallbs
xblgal
blsx
lbs
La función principal de la(s) bomba(s) de circulación es enviar determinado volumen del fluido a presión, hasta el fondo del hoyo, vía el circuito descendente formado por tubería de descarga de la bomba, tubo de paral, manguera, junta rotatoria, junta kelly, sarta de perforación (compuesta por tubería de perforación y sarta lastra barrena) y barrena para ascender a la superficie por el espacio anular creado por la pared del hoyo y perímetro exterior de la sarta de perforación.
Bombas para fluidos de Bombas para fluidos de perforación perforación
Generalmente, dos bombas de lodo están instaladas en el taladro. Para los grandes diámetros de hoyo utilizados en las porciones someras del hoyo, ambas bombas pueden ser operadas en paralelo para suministrar los altos caudales requeridos. En las porciones más profundas, sólo se necesita una bomba, y la otra sirve de apoyo cuando se realice mantenimiento a una.
Bombas para fluidos de Bombas para fluidos de perforación perforación
En guía
Pueden haber dos tipos de bombas a usar:– Duplex: dos pistones de doble acción.– Triplex: tres pistones de acción simple.
Bombas para fluidos de Bombas para fluidos de perforación perforación
Bombas para fluidos de Bombas para fluidos de perforación perforación
Bombas…Bombas…En guía
Las bombas se identifican por sus características y su capacidad de operación. De cada bomba se debe conocer:– Potencia max. de operación: HP.– Presión de descarga: Ps.– Longitud de la embolada: E.– Emboladas por unidad de tiempo: N (EPM).
– Diámetro max. del cilindro: dcl (pulg).
– Diámetro del vástago: dva (pulg).
Bombas…Bombas…En guía
El gasto o caudal de la bomba (volumen que puede impulsar la bomba por unidad de tiempo, en gpm), es ajustable a los requerimientos del pozo, variando:– Emboladas por minuto.– Diámetro del cilindro
Partes de la bomba de un fluido de
perforación
Bombas…Bombas…En guía
Durante la perforación se trabajará con un gasto óptimo, diseñado para alcanzar la mejor efectividad de penetración de la barrena. Limitado por:– Gasto mínimo, función de velocidad min. de
ascenso del fluido.– Gasto máximo, dado por condiciones de
operación de la bomba.
Bombas…Bombas…
)(448.2 22min th ddVQ
sPxHP
Q1714
max
)2(.00679.0 22vaclopt ddENQ
En guía
Duplex y triplex
Duplex
2..0102.0 clopt dENQ Triplex
Bombas…Bombas…
Veamos cómo se obtiene la ecuación de caudal óptimo para una bomba duplex:
El desplazamiento teórico de una bomba duplex es una función del diámetro del vástago del pistón (dva), el diámetro del liner o cilindro (dcl), y la longitud de la embolada (E).
En la embolada hacia delante de cada pistón, el volumen desplazado es dado por:
Edcl2
4
dcl: diámetro del cilindro
E: longitud de la embolada
Bombas…Bombas…
Edd vacl22
4
Similarmente, en la embolada de reversa, el volumen desplazado es:
dva: diámetro del vástago
Entonces, el volumen total desplazado para un ciclo completo de una bomba de 2 cilindros:
EvddEFp vacl2222
4
Fp: Factor de la bomba en pulg3/embolada
Ev: Eficiencia volumétrica de la bomba
Bombas…Bombas…
min0068.0
42
615.5
1
lg12min
lg5708.1
333
33 gal
bbl
galx
pie
bblx
pu
piex
embx
emb
pu
Si multiplicamos por el número de emboladas por minuto (N) obtendremos finalmente el caudal :
Finalmente, obtenemos:
)2(.00679.0 22vaclopt ddENQ
Qopt: gal/minN: emboladas/min
E:pulgadas dcl, dva: pulgadas
Bombas…Bombas…
Para el caso de las bombas triplex de acción simple, el volumen desplazado por cada pistón durante un ciclo completo de bombeo está dado por:
Edcl2
4
Entonces, el factor de la bomba para una bomba de acción simple que tiene tres cilindros es:
2..4
3clv dEEFp
dcl: diámetro del cilindro, pulg
E: longitud de la embolada, pulg
Bombas…Bombas…
min0102.0
42
615.5
1
lg12min
lg3562.2
333
33 gal
bbl
galx
pie
bblx
pu
piex
embx
emb
pu
Si multiplicamos por el número de emboladas por minuto (N), obtendremos finalmente el caudal:
Finalmente, obtenemos el caudal para una bomba triplex:
2..0102.0 clopt dENQ
Qopt: gal/minN: emboladas/min
E:pulgadas dcl: pulgadas
En guía
Bombas… Bombas… Ejemplo # 30: Se dispone de una bomba con las siguientes
características:
1. Tipo duplex.
2. Potencia: 400 HP.
3. Presión de descarga: 1800 lpc.
4. Diam. cilindro: 7”.
5. Diam. Vástago: 2”.
6. Long. de embolada: 18”.
Se requiere: a) gasto max. y b) EPM para obtener dicho Q
En guíaBombas… Bombas…
gpmx
P
xHPQ
s
3811800
40017141714max
)2(.00679.0 22vaclopt ddENQ
33)272(1800679.0
381)2(00679.0 2222
xxddEQ
Nvacl
Ejemplo # 30. Solución:
a.
b.
Resolviendo para N:
epmN 33
En guíaBombas… Bombas…
)(448.2 22min th ddVQ
Ejemplo # 31: Con el equipo del ejemplo #30, se está perforando un pozo con tubería de perforación de 4 ½” y barrena de 8 3/8”. Veloc. de ascenso min. Del fluido es 130 pie/min. Determine el Qmin para estas condiciones.
Solución:
Donde V = pie/seg
gpmx 265)5.4375.8(60
130448.2 22
En guía
Bombas… Bombas…
GastoncirculacióenVol
Tiempo
Ejemplo # 32: Se está perforando un pozo a cierta prof., el vol. en circulación es de 860 bls. Se usa tubería de perforación de 5” y barrena de 9 5/8”. Si se requiere una velocidad min. de ascenso de 120 pie/min., cuánto tiempo requiere el fluido para hacer un ciclo completo?
min109)25625.9(
60120
448.2
42860
2
x
blgal
blsxT
ReologíaReología
Ciencia de la fluidez de la materia que describe el comportamiento de los fluidos de perforación.
Modelos Reológicos
Newtoniano
No Newtonianos
Plástico de Bingham
Ley de Potencia (Power – Law)
Los modelos reológicos generalmente usados por ingenieros de perforación para simular y aproximar el comportamiento de flujo son (1) modelo Newtoniano, (2) modelo Plástico de Bingham y (3) modelo Ley de Potencia:
1. Modelo Newtoniano: Las fuerzas viscosas presentes en un fluido Newtoniano simple son caracterizadas por la viscosidad del fluido.
Ejemplos de fluidos Newtonianos son: agua, gases, y aceites de alta gravedad.
Para comprender la naturaleza de la viscosidad, consideremos un fluido contenido entre dos grandes placas paralelas de área “A”, separadas por una pequeña distancia “L”.
Modelos Reológicos
1. Modelo Newtoniano (cont.): La placa superior, que se encuentra inicialmente en reposo, es puesta en movimiento en la dirección “x” a una velocidad constante “v”. Luego de un tiempo suficiente para lograr un movimiento estable, se requiere una fuerza constante “F” para mantener la placa superior en movimiento a velocidad constante.
Fue determinado experimentalmente que la magnitud de la fuerza “F” es dada por:
A
F
L
V
Modelos Reológicos
Flujo Laminar de Fluidos Newtonianos
AF
LV
bulbo
rotor
fluido
Viscosímetro Rotacional
1. Modelo Newtoniano (cont.): El término F/A es llamado Esfuerzo de Corte ejercido sobre el fluido, así que el esfuerzo de corte se define:
A
F
Nótese que el área de la placa, “A”, es el área en contacto con el fluido. El gradiente de velocidad es una expresión de la Tasa de Corte:
dL
dv
L
v
Modelos Reológicos
1. Modelo Newtoniano (cont.): Entonces, el modelo Newtoniano establece que el esfuerzo de corte es directamente proporcional a la tasa de corte, .
donde , la constante de proporcionalidad, se conoce como la viscosidad del fluido, la cual se expresa en poises.
poise 0.01 centipoise 1
scm
g1
cm
s-dyne1 poise 1
2
Modelos Reológicos
Modelos Reológicos
2. Modelos no Newtonianos: La mayoría de los fluidos de perforación son muy complejos para ser caracterizados por un único valor de viscosidad.
Fluidos que no exhiben una proporcionalidad directa entre esfuerzo de corte y tasa de corte son clasificados como no Newtonianos.
Fluidos no Newtonianos que dependan de la tasa de corte son seudo plásticos, si la viscosidad aparente disminuye al incrementar la tasa de corte, y dilatantes si la viscosidad aparente aumenta al aumentar la tasa de corte.
Modelos Reológicos
Modelos Reológicos
Ejemplo (tomado de Applied Drilling Engineering, SPE): Una muestra de lodo en un viscosímetro rotacional ofrece una lectura de dial de 46 cuando se opera a 600 rpm, y una lectura de 28 a 300 rpm. Calcule la viscosidad aparente del lodo a cada velocidad de rotor. Tambien obtenga Vp y Pc.
cpN
V Na 28
300)28(300300
Similarmente, para la otra velocidad de rotor (600 rpm) se usa la misma ecuación:
cpN
V Na 23
600)46(300300
Nótese que la Va no permanece constante, sino que disminuye cuando la veloc. de rotor aumenta (seudo plástico).
Modelos Reológicos
Ejemplo (cont.): La viscosidad plástica del lodo se obtiene usando.
El punto cedente se puede calcular usando la ecuación:
cpVp 182846300600
2300 100/101828 pielbfVP pc
2. Modelos no Newtonianos (cont.): Los fluidos de perforación y las lechadas de cemento son generalmente de naturaleza seudo plástica.
Los modelos Plástico de Bingham y Ley de Potencia se usan para aproximar el comportamiento seudo plástico de los fluidos de perforación y lechadas de cemento.
Modelos Reológicos
2. 1 Modelo Plástico de Bingham: Se define por
yyp ;
- si
- si 0
si
y
y
y
yp
y
yp
y y son normalmente expresadas en lbf/100 pie2
Modelos Reológicos
Modelo Plástico de BinghamModelo Plástico de Bingham
2. 1 Modelo Plástico de Bingham (cont.): Un fluido plástico de
Bingham no fluirá hasta que el esfuerzo de corte aplicado, ,
supere cierto valor mínimo, y, conocido como punto cedente.
Después de esto, los cambios en esfuerzo de corte son
proporcionales a cambios en tasa de corte, y la constante de
proporcionalidad es la viscosidad plástica.
Modelos Reológicos
2. 2 Modelo Ley de Potencia: Se define por
0 si
0 si 1
n
n
K
K
De la misma manera que el modelo Plástico de Bingham, este
modelo requiere dos parámetros para caracterización del
fluido. El parámetro “K” es llamado índice de consistencia de
fluido, y el parámetro “n” es llamado índice de
comportamiento de flujo.
Modelos Reológicos
Modelo Ley de PotenciaModelo Ley de Potencia
¿QUÉ ES LA ¿QUÉ ES LA VISCOSIDAD?VISCOSIDAD?
La viscosidad se define como la resistencia de un líquido a fluir. Esta resistencia es
provocada por las fuerzas de atracción entre las moléculas del líquido. El esfuerzo
necesario para hacer fluir el líquido (esfuerzo de desplazamiento) estará en función de esta
resistencia.Las unidades de medición comúnmente son
centipoises o Pascal segundos.Existen varios tipos de viscosímetros, como el
FANN o el de orificio.
TIPOS DE VISCOSIDADViscosidad Dinámica o Absoluta
Viscosidad CinemáticaViscosidad AparenteViscosidad Plástica
¿QUÉ ES LA ¿QUÉ ES LA VISCOSIDAD?VISCOSIDAD?
Existen varios tipos de viscosímetros, como el FANN o el de orificio.
• VISCOSIDAD PLÁSTICA
• VISCOSIDAD APARENTE
• PUNTO CEDENTE
• RESISTENCIA DE GEL
• Inicial
• Final
(A)petróleo muy liviano que muestra la facilidad con que fluye y la calidad de su transparencia.
(B) petróleo muy pesado cuya fluidez es casi imperceptible y de transparencia nula.
Propiedades Reológicas…Propiedades Reológicas…
Viscosidad Plástica: Expresión de la resistencia de un fluido a fluir, influenciada por la cantidad, tamaño y tipo de sólidos en el lodo. Cuando se emplea el viscosímetro rotacional, la Vp se determina sustrayendo la lectura a 300 rpm de la lectura a 600 rpm.
Propiedades Reológicas…Propiedades Reológicas…
Viscosidad Aparente: Expresión de la resistencia de un fluido a fluir, influenciada por los sólidos reactivos e inertes, así como por la viscosidad de la fase líquida. Tambien se conoce como viscosidad newtoniana. En un fluido newtoniano, la Va es igual a la Vp (ej., el agua). En el viscosímetro rotacional, es igual a la mitad de la lectura a 600 rpm.
Propiedades Reológicas…Propiedades Reológicas…
Punto Cedente: Medida de la fuerza de atracción entre las partículas, bajo condiciones dinámicas de flujo. Se ve influenciada por los sólidos reactivos. Se determina sustrayendo la viscosidad plástica de la lectura a 300 rpm. Se relaciona con la capacidad de limpieza del lodo.
Propiedades Reológicas…Propiedades Reológicas…
Resistencia de Gel: Capacidad de un coloide para formar geles. Es una medida de las mismas fuerzas entre las partículas de un fluido que las que determinan el punto cedente, excepto que la resistencia de gel se mide en condiciones estáticas, mientras que el Pc se determina en condiciones dinámicas. Existen el Gel Inicial y Gel Final. Se relaciona con capacidad de suspensión del lodo.
Propiedades Reológicas…Propiedades Reológicas…
Gel Inicial: Resistencia de gel de un fluido medida como la lectura máxima (deflección) tomada en un viscosímetro de lectura directa (rotacional) después de que el fluido ha estado en reposo durante 10 segundos. Se mide a 3 r.p.m. Se reporta en lb/100 pie2.
Propiedades Reológicas…Propiedades Reológicas…
Gel Final o gel de 10 minutos: Resistencia de gel de un fluido al cabo de un reposo de 10 minutos. Lectura máxima (deflección) tomada en un viscosímetro de lectura directa (rotacional) después de que el fluido ha estado en reposo durante 10 minutos. Se mide a 3 r.p.m. Se reporta en lb/100 pie2.
