DETERMINACION DE LA VISCOSIDAD

I. Parte terica de la practica

a. Objetivo General.-Determinar la viscosidad de un fluido de perforacin, mediante el uso de un embudo de Marsh, y efectuar los respectivos clculos de errores para las mediciones efectuadas.b. Marco Terico.- VISCOSIDAD EN UN FLUIDO DE PERFORACIN.-La viscosidad en los fluidos de perforacin sirve para aumentar la capacidad de inyeccin y suspender los recortes en el espacio anular; su control viene ntimamente ligado a la funcin que desempean las bombas dentro de las labores de perforacin, donde en general un aumento de la viscosidad del lodo de perforacin puede ocasionar un uso excesivo de presin de bomba para romper la resistencia a la circulacin o una prdida de circulacin como resultado de la presin tan elevada necesaria y usada para empezar a bombear.

Cuando un fluido que est en contacto con una superficie slida se pone en movimiento, sufre un retardo que se puede considerar similar a un rozamiento. De esta forma las capas que estn en contacto con la pared permanecen en reposo, mientras que las partculas inmediatamente cercanas tienen una velocidad casi nula y a medida que nos alejamos de la pared la velocidad crece, esto debido a un efecto combinado de adhesin y cohesin contrario a la fluidez que es conocido como viscosidad, sin embargo, ya que la viscosidad esta ligada a las fuerzas de atraccin entre partculas su efecto se manifiesta an en ausencia de superficies slidas o en zonas alejadas de las mismas.

VISCOSIDAD DINMICA ()

La viscosidad dinmica o tambin llamada "viscosidad absoluta" () est definida como a viscosidad tal, que al deslizarse una sobre otra dos capas de un fluido de la misma superficie a una distancia mutua constante, sufren una fuerza de rozamiento que da lugar a una diferencia relativa de velocidades entre sus partculas. Las unidades en el sistema internacional como en el sistema cegesimal estn dados por: Debido a que en el estudio de la viscosidad en el sistema internacional los valores de las medidas son excesivamente grandes son poco empleados, es as que se tiene una mejor utilizacin de la unidad de la viscosidad en el sistema cegesimal que es el Poise, pero en aquellas medidas en las que el Poise resulte muy grande, se emplea un submltiplo cien veces menor, que se denomina centipoise y se representa por [cP]. VISCOSIDAD CINEMTICA ()

La viscosidad en muchas oportunidades resulta difcil de medir por lo que en su lugar se utiliza otra magnitud, directamente relacionada con ella y de ms fcil medicin, denominada viscosidad cinemtica, que es el cociente que resulta de dividir la viscosidad absoluta de un fluido entre su densidad y que tiene por unidades: La viscosidad de los lodos de perforacin es una propiedad que afecta directamente a la potencia de ascenso de los recortes en lodo y depende principalmente de la cantidad, concentracin, calidad y dispersin de los slidos en suspensin. Durante la perforacin se requiere una mnima viscosidad para perforar ms rpido, para eliminar ms fcilmente los slidos en superficie, pero en cambio se requiere una alta viscosidad para el transporte eficiente de los recortes desde el fondo del pozo

CONVERSIN DE LA VISCOSIDAD MARSH EN VISCOSIDAD ABSOLUTA

La determinacin de la viscosidad con el uso de un viscosmetro de embudo consiste en encontrar una expresin matemtica que sirva para convertir los tiempos en segundos obtenidos en las pruebas a las unidades de la viscosidad absoluta, sin embargo, como ya se ha visto anteriormente hay que considerar cada uno de los tipos de fluidos, ya que su anlisis es distinto y su aplicacin depender del tipo de fluido usado en cada prueba, es as que a continuacin se tiene un anlisis diferenciado tanto para los fluidos Newtonianos como para los no Newtonianos

TIPOS DE FLUJO FLUIDOS NEWTONIANOSFLUIDOS NO NEWTONIANOSDiagrama 1: Clasificacin de los fluidos segn el tipo de flujo Debemos tener en cuenta que los fluidos de perforacin tienen segn el tipo de flujo esta clasificacin, pero si hablamos de los fluidos de una manera general debemos tomar en cuenta la siguiente clasificacin:

Fluidos de perforacin Fluidos de intervencin Fluidos de terminacin Fluidos de empaque

Diagrama sinttico de los fluidosEn este caso se halla una relacin entre el fluido Newtoniano que es usado para la prueba y el agua de la siguiente manera: con el embudo se vierte un volumen fijo de determinado liquido (Newtoniano) cuya viscosidad se desea medir y se cronometra el tiempo que tarda en salir (t), a continuacin se repite el experimento con el mismo volumen de agua siendo el tiempo que tarda en descargar designado por (to); se tiene que los tiempos empleados por ambos lquidos son directamente proporcionales a sus viscosidades cinemticas del lquido y del agua por y o respectivamente podemos expresar:

Donde:Tiempo de descarga del fluido tiempo de descarga del agua con el mismo volumen Peso del fluido estudiado y del agua respectivamente Viscosidad del agua (1.0 cP)

Para el caso de un fluido no Newtoniano, el anlisis no es tan fcil y es as que se tiene que recurrir a la formacin de una ecuacin diferencial que considere sus caractersticas y comportamiento haciendo uso de la ecuacin de Hagen - Poiseuille para viscosmetros de orificio cuyas soluciones no sern discutidas ni analizadas, quedando la siguiente ecuacin como resultado de encontrar experimentalmente las constantes: Donde: V : Viscosidad absoluta [cP] d : Densidad [g /cm3] t : Tiempo (Segundos Marsh) [seg]

A pesar que el valor obtenido del embudo Marsh se reporta como viscosidad en la hoja de reporte del lodo mud chek list, la viscosidad embudo no es de ninguna manera una viscosidad.

La medicin de la viscosidad Marsh tiene la ventaja de ser rpida, simple y de n requerir equipo complejo. Esta medicin es til para mostrar cambios gruesos en la viscosidad del fluido de perforacin, pero esta no mide parmetros especficos de flujo.

El valor de la viscosidad embudo puede cambiar con cambios en la viscosidad plstica punto cedente (yield point), fuerza gel o densidad del fluido de perforacin. Por esta razn, la viscosidad Marsh debera ser usada solamente para monitorear un lodo, y no para diagnosticar problemas o prescribir tratamientos.

El viscosmetro Marsh se utiliza en campo para la medicin de rutina de la viscosidad del fluido de perforacin, lo que permite al personal reportar peridicamente la consistencia del lodo, parmetro que le sirve al ingeniero de lodos para notar cambios significativos en las propiedades del lodo. Esta viscosidad es denominada viscosidad embudo o viscosidad Marsh.

Como se dijo anteriormente el valor de la viscosidad embudo no proporciona informacin suficiente para la determinacin de las propiedades reolgicas del lodo, siendo solo un indicativo del estado del lodo. Pero para fluidos base agua no muy tratados existen valores ptimos tabulados de la viscosidad embudo. REOLOGIALa reologa puede ser genricamente definida como el estudio de deformacin de materia o, aunque, el estudio de la movilidad de los fluidos. Los fluidos pueden ser clasificados en Newtonianos y No Newtonianos. Los primeros son aquellos que se comportan como fluidos ideales, esto es, sus componentes no tienen cualquier interaccin entre s, en cuanto a los No Newtonianos seran los fluidos reales. No existen naturalmente, fluidos ideales, ms son solamente fluidos cuyo comportamiento se aproxima al ideal, como es el caso de lquidos, soluciones verdaderas diluidas y pocos sistemas coloidales.La reologa de los fluidos es estudiada principalmente a travs de la medida de su viscosidad o su inverso, la fluidez.La medida de la viscosidad es la medida de resistencia al movimiento (deformacin) de varias capas ideales paralelas de un fluido movindose laminarmente a un gradiente de velocidad D, uniforme de separacin de esas capas, cuando se produce la accin de una tensin deformante (t ), durante el movimiento, las camadas se mantienen sin turbulencias. La viscosidad del fluido es expresada por su coeficiente de viscosidad (m ), cuya unidad es el Poiseuille (P) que corresponde a la viscosidad de un fluido que recorre a la velocidad de 1 cm/s., estando sujeto a una fuerza de 1 dina/cm2 1 m/s. para una fuerza de 1 Newton/m2II. Clculos.- Anlisis y tratamiento de datos (ver hoja adjunta, atrs)

a) Procedimiento experimental 1. Mantenga el embudo en posicin vertical hacia arriba tapando el orificio de salida con el dedo ndice. 2. Vierta una muestra de lodo fresco para ser ensayado a travs de la malla hasta que el nivel del fluido alcance la parte inferior de la malla. 3. Remueva el dedo de la salida y comience a medir el tiempo con un cronmetro. Usando el jarra graduada, mida el tiempo para que el fluido llene (946 ml) marcado en la jarra. 4. Mida la temperatura del fluido en F o C. 5. Reporte el tiempo en segundos como viscosidad de embudo Marsh y registre la temperatura del fluido. 6. Limpie y seque completamente el embudo y la jarra despus de cada uso b) InicioDiagrama de flujo

Mantener el embudo vertical, tapando el orificio de salida

Verter el lodo a travs de la malla del embudo

Remover el dedo del orificio del embudo

Medir el tiempo (seg.) con un cronometro

Limpiar y secar el embudo y la jarra despus de cada usoVerter en la jarra graduada hasta que llene (946 ml) en dicha jarra

Medir la temperatura (F) del fluido que esta vertido en la jarra graduada

Reportar el tiempo en segundos como viscosidad de embudo Marsh y registrar la temperatura del fluido bentonico

Realizar el mismo procedimiento para la un lodo 2

fin

c) Hoja de datos

CALIBRACIN.-Tiempo (seg Marsh)

Embudo 126,6

26,7

Promedio 26,65

Embudo 226

25,61

Promedio 25,86

DETERMINACION DE LA VISCOSIDAD

Densidad (LPG)Tiempo (seg Marsh)

LODO 18,7135

236

Promedio 0,35

LODO 28,8134,45

234,41

Promedio 34,43

TEMPERATURA

T = 64

d) Tratamiento de datos

1. Calcular el error porcentual de calibracin de un quarto de litro que tiene el embudo con los valores medidos respecto de los valores tericos usados Se calculara la diferencia porcentual para la calibracin.

Definicin de diferencia porcentual

Error para el embudo 1

Error para el embudo 2

III. Conclusiones

Efectivamente se determino determinar la viscosidad de un fluido de perforacin, mediante el uso de un embudo de Marsh, y efectuamos los respectivos clculos de errores para las mediciones efectuadas. Logramos un gran aprendizaje, se aprendi a manejar el embudo Marsh, se efectu la calibracin del embudo Marsh, se utilizo una grafica para ver si la viscosidad embudo estaba en el rango correcto pero el resultado fue que este se encontraba desfasado siendo el rango ideal de la viscosidad entre 36 y 55 seg/qt

IV. Anexos

CuestionarioI. Defina viscosidad, viscosidad dinmica y viscosidad absoluta.

Viscosidad.- . La viscosidad es una propiedad fsica que se puede definir como una medida de la resistencia que tienen los fluidos a la direccin de su movimiento debido a la existencia e fuerzas de atraccin intermoleculares que ocasionan el rozamiento entre las partculas y molculas que lo componen, en otras palabras es la resistencia interna al flujo de un fluido Viscosidad dinmica () .- La viscosidad dinmica o tambin llamada "viscosidad absoluta" () est definida como a viscosidad tal, que al deslizarse una sobre otra dos capas de un fluido de la misma superficie a una distancia mutua constante, sufren una fuerza de rozamiento que da lugar a una diferencia relativa de velocidades entre sus partculas. Las unidades en el sistema internacional como en el sistema cegesimal estn dados por: si el poise es muy grande se usa el submltiplo centipoise viscosidad absoluta ().- La viscosidad en muchas oportunidades resulta difcil de medir por lo que en su lugar se utiliza otra magnitud, directamente relacionada con ella y de ms fcil medicin, denominada viscosidad cinemtica, que es el cociente que resulta de dividir la viscosidad absoluta de un fluido entre su densidad y que tiene por unidades:

II. Indique los tipos de flujo, con su respectiva grafica.Flujo compresible

Ondas de choqueTodos los fluidos son compresibles, incluyendo los lquidos. Cuando estos cambios de volumen son demasiado grandes se opta por considerar el flujo como compresible (que muestran una variacin significativa de la densidad como resultado de fluir), esto sucede cuando la velocidad del flujo es cercano a la velocidad del sonido. Estos cambios suelen suceder principalmente en los gases ya que para alcanzar estas velocidades de flujo en lquidos, se precisa de presiones del orden de 1000 atmsferas, en cambio un gas slo precisa una relacin de presiones de 2:1 para alcanzar velocidades snicas. La compresibilidad de un flujo es bsicamente una medida en el cambio de la densidad. Los gases son en general muy compresibles, en cambio, la mayora de los lquidos tienen una compresibilidad muy baja. Por ejemplo, una presin de 500 kPa provoca un cambio de densidad en el agua de solamente 0,024% (a temperatura ambiente). En cambio, esta misma presin aplicada al aire provoca un cambio de densidad de 250%. Por esto normalmente al estudio de los flujos compresibles se le conoce como dinmica de gases, siendo esta una nueva rama de la mecnica de fluidos, la cual describe estos flujos.En un flujo usualmente hay cambios en la presin, asociados con cambios en la velocidad. En general, estos cambios de presin inducirn a cambios de densidad, los cuales influyen en el flujo, si estos cambios son importantes los cambios de temperatura presentados son apreciables. Aunque los cambios de densidad en un flujo pueden ser muy importantes hay una gran cantidad de situaciones de importancia prctica en los que estos cambios son despreciables.El flujo de un fluido compresible se rige por la primera ley de la termodinmica en los balances de energa y con la segunda ley de la termodinmica, que relaciona la transferencia de calor y la irreversibilidad con la entropa. El flujo es afectado por efectos cinticos y dinmicos, descritos por las leyes de Newton, en un marco de referencia inercial aquel donde las leyes de Newton son aplicables-. Adems, el flujo cumple con los requerimientos de conservacin de masa. Es sabido que muchas propiedades, tales como la velocidad del fluido en un tubo, no son uniformes a lo largo de la corriente.Flujo incompresibleEn mecnica de fluidos, un flujo se clasifica en compresible e incompresible, dependiendo del nivel de variacin de la densidad del fluido durante ese flujo. La incompresibilidad es una aproximacin y se dice que el flujo es incompresible si la densidad permanece aproximadamente constante a lo largo de todo el flujo. Por lo tanto, el volumen de todas las porciones del fluido permanece inalterado sobre el curso de su movimiento cuando el flujo o el fluido es incompresible. En esencia, las densidades de los lquidos son constantes y as el flujo de ellos es tpicamente incompresible.Cuando se analizan flujos de gas a velocidades altas, la velocidad del flujo a menudo se expresa en trminos del nmero adimensional de Mach, que se define como:

Donde v es la velocidad del flujo en ese medio y c es la velocidad del sonido en ese medio, cuyo valor es de 346 m/s en el aire a temperatura ambiente al nivel del mar. Se dice que un flujo es snico cuando Ma=1, subsnico cuando Ma1, e hipersnico cuando Ma>>1. Los flujos de lquidos son incompresibles hasta un nivel alto de exactitud, pero el nivel de variacin de la densidad en los flujos de gases y el nivel consecuente de aproximacin que se hace cuando se modelan estos flujos como incompresibles depende del nmero de Mach. Con frecuencia, los flujos de gases se pueden aproximar como incompresibles si los cambios en la densidad se encuentran por debajo de alrededor de 100 m/s. As el flujo de un gas no es necesariamente compresibleFlujo laminar

Flujo laminar de un fluido perfecto en torno al perfil de un objeto.

Distribucin de velocidades en un tubo con flujo laminar.Es uno de los dos tipos principales de flujo en fluido. Se llama flujo laminar o corriente laminar, al movimiento de un fluido cuando ste es ordenado, estratificado, suave. En un flujo laminar el fluido se mueve en lminas paralelas sin entremezclarse y cada partcula de fluido sigue una trayectoria suave, llamada lnea de corriente. En flujos laminares el mecanismo de transporte lateral es exclusivamente molecular. Se puede presentar en las duchas elctricas vemos que tienen lineas paralelasEl flujo laminar es tpico de fluidos a velocidades bajas o viscosidades altas, mientras fluidos de viscosidad baja, velocidad alta o grandes caudales suelen ser turbulentos. El nmero de Reynolds es un parmetro adimensional importante en las ecuaciones que describen en que condiciones el flujo ser laminar o turbulento. En el caso de fluido que se mueve en un tubo de seccin circular, el flujo persistente ser laminar por debajo de un nmero de Reynolds crtico de aproximadamente 2040.1 Para nmeros de Reynolds ms altos el flujo turbulento puede sostenerse de forma indefinida. Sin embargo, el nmero de Reynolds que delimita flujo turbulento y laminar depende de la geometra del sistema y adems la transicin de flujo laminar a turbulento es en general sensible a ruido e imperfecciones en el sistema.2El perfil laminar de velocidades en una tubera tiene forma de una parbola, donde la velocidad mxima se encuentra en el eje del tubo y la velocidad es igual a cero en la pared del tubo. En este caso, la prdida de energa es proporcional a la velocidad media, mucho menor que en el caso de flujo turbulentoIII. De que manera la viscosidad afecta al comportamiento de los fluidos y como se los clasifica de acuerdo a su flujo

La viscosidad de los lodos de perforacin es una propiedad que afecta directamente a la potencia de ascenso de los recortes en lodo y depende principalmente de la cantidad, concentracin, calidad y dispersin de los slidos en suspensin.

Durante la perforacin se requiere una mnima viscosidad para perforar ms rpido, para eliminar ms fcilmente los slidos en superficie, pero en cambio se requiere una alta viscosidad para el transporte eficiente de los recortes desde el fondo del pozo. La viscosidad de un lodo al estar en relacin directa con la cantidad de arcilla presente, esta en funcin a un efecto combinado de:

a) El grado de hidratacin de las partculas coloidales. b) La friccin entre partculas. c) Las fuerzas de atraccin y repulsin mutua de carcter electromagntico entre las partculas.

Estos dos ltimos factores son los que condicionan el comportamiento de un lodo y dan lugar a las variables reolgicas de:

a) Viscosidad plstica b) Punto cedente o Yield point

Estas variables que componen la viscosidad de un lodo sern estudiadas ms a profundidad en la prctica referida a la medicin de las propiedades reolgicas del lodo con viscosmetro rotativo (Fann)

Podramos mencionar la siguiente clasificacin:

Tipo de fluidoComportamientoCaractersticasEjemplos

PlsticosPlstico perfectoLa aplicacin de una deformacin no conlleva un esfuerzo de resistencia en sentido contrarioMetales dctiles una vez superado el lmite elstico

Plstico de BinghamRelacin lineal, o no lineal en algunos casos, entre el esfuerzo cortante y el gradiente de deformacin una vez se ha superado un determinado valor del esfuerzo cortanteBarro, algunoscoloides

Limite seudoplasticoFluidos que se comportan como seudoplsticos a partir de un determinado valor del esfuerzo cortante

Limite dilatanteFluidos que se comportan como dilatantes a partir de un determinado valor del esfuerzo cortante

Fluidos que siguen la Ley de la PotenciaseudoplsticoLa viscosidad aparente se reduce con el gradiente del esfuerzo cortanteAlgunos coloides,arcilla,leche,gelatina,sangre.

DilatanteLa viscodidad aparente se incrementa con el gradiente del esfuerzo cortanteSoluciones concentradas deazcaren agua, suspensiones de almidn de maz o de arroz.

FluidosviscoelsticosMaterial de MaxwellCombinacin lineal "serie" de efectos elsticos y viscososMetales,Materiales compuestos

Fluido Oldroyd-BCombinacin lineal de comportamiento como fludio Newtoniano y como material de MaxwelBetn,Masa panadera,nailon,Plastilina

Material de KelvinCombinacin lineal "paralela" de efectos elsticos y viscosos

PlsticoEstos materiales siempre vuelven a un estado de reposo predefinido

Fluidos cuya viscosidad depende del tiempoReopcticoLa viscosidad aparente se incrementa con la duracin del esfuerzo aplicadoAlgunoslubricantes

TixotrpicoLa viscosidad aparente decrece con la duracin de esfuezo aplicadoAlgunas variedades demieles,ktchup, algunas pinturas antigoteo.

Tambin podemos mencionar la siguiente clasificacin:Debemos tener en cuenta que los fluidos de perforacin tienen segn el tipo de flujo esta clasificacin, pero si hablamos de los fluidos de una manera general debemos tomar en cuenta la siguiente clasificacin:

Fluidos de perforacin Fluidos de intervencin Fluidos de terminacin Fluidos de empaque

IV. Segn su criterio A cual de los tipos de fluido (Newtoniano o no Newtoniano) pertenece el petroleo?Porque?El petrleo es un fluido no Newtoniano; debido a que tienen un comportamiento extrao o fuera delgica, este tipo de fluidos no cumplen con las leyes denewton, presentan mayorviscosidad, la cualadems puede variar con las tensiones (fuerzas) que se le aplican, lo que hace que se comporte en ocasiones como un slido ante mayor fuerza y como un lquido con menostensinaplicada.Estos fluidos se pueden caracterizar mejor mediante otras propiedadesreolgicas, propiedades que tienen que ver con la relacin entre el esfuerzo y lostensores de tensionesbajo diferentes condiciones de flujo, tales como condiciones deesfuerzo cortanteoscilatorio.Sin en cambio si hablsemos que fuera fluidos Newtonianos mencionaramos aspectos que el petrleo no cumple de los cuales sabemos que son los que tienen un comportamiento normal, como por ejemplo el agua, tiene muy pocaviscosidady esta novaracon ninguna fuerzaque lesea aplicada, si le damos un golpe a la superficie del agua en una piscina esta se deforma como es lgico.A medida que aumenta la temperatura de un fluido lquido, disminuye su viscosidad. Esto quiere decir que la viscosidad es inversamente proporcional al aumento de la temperatura.

b) Fotografas de laboratorio

Mezclado Lodo I

Manteniendo el embudo en posicion vertical hacia arriba tapando el orificio de salida con el dedo indice una vez vertido el lodo fresco a travez de la malla hasta el nivel de la parte inferior de la malla, (casi lleno), como indica el procedimiento en la guia de laboratorio

Medicin de la viscosidad mediante el embudo Marsh, registrando con cronometro el tiempo en escurrir el lodo a travs del embudo

Medicion de la temperatura del lodo

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