INFORME DE LABORATORIO: DENSIFICANTES, VISCOSIFICANTES Y REOLOGAJuliana Herona, Pablo ZuluagaaaEstudiante de Ingeniera de Petrleos, Universidad Nacional de Colombia, Sede Medelln.Abril 13 de 2014_________________________________________________________________________________________________________ResumenUno de los elementos ms importantes y que se debe tener en permanente vigilancia y estudio al momento de perforar es el fluido de perforacin o lodo. Sus funciones son de alta relevancia mientras se perfora y cada una est ligada a las propiedades del fluido, el control de estas permite mantener el control del pozo durante la perforacin.La densidad y viscosidad del fluido de perforacin son tal vez las propiedades ms importantes, permiten controlar las presiones del subsuelo y retirar los cortes producidos al perforar respectivamente, obtener los correctos valores para ambas es importante para optimizar la perforacin, tambin previene inconvenientes que pongan en riesgo la operacin o la seguridad del personal.Se puede modificar las propiedades del fluido de perforacin mediante la adicin de sustancias, que en la cantidad correcta, ayuda a llegar a los valores que requerimos en la operacin, alcanzando as un rendimiento adecuado en el cumplimiento de las funciones solicitadas, optimizando la operacin y minimizando el riesgo de fallas.Un buen control de estas propiedades es el paso inicial para crear un buen fluido de perforacin, que cumpla a cabalidad con sus funciones en el momento de perforar, y que adems facilite la labor optimando recursos.Abstract

One of the most important elements and must be in permanent monitoring and study at the time of drilling is the drilling fluid or "mud". Its functions are of high relevance while is drilled and each one is linked to the properties of the fluid, the control of these enables you to maintain control of the borehole during drilling.The density and viscosity of the drilling fluid are perhaps the most important properties, allow you to control the pressures of the subsoil, and remove the cuts produced when drilling respectively, to obtain the correct values for both it is important to optimize drilling, also prevents disadvantages that put at risk the operation or the safety of personnel.You can modify the properties of the drilling fluid through the addition of substances, which in the correct amount, helps reach out to the values that we require in the operation, thus reaching an adequate performance in the compliance of the requested features, optimizing the operation and minimizing the risk of failure.A good control of these properties is the initial step in creating a good drilling fluid, to fully comply with their duties at the time of drilling, and also to facilitate the work by optimizing resources.Palabras clave: Densidad, viscosidad, reologa, no-Newtoniano, propiedades.

ObjetivosComprender la importancia del fluido de perforacin, sus principales funciones al momento de perforar y como se pueden modificar las propiedades de ste para controlar y optimizar la operacin.Fabricar un fluido de perforacin, usando como base agua y adicionando bentonita para alcanzar una densidad de 8.6 lbm/gal. Posteriormente se densificar dicho lodo hasta 9.6 lbm/gal, adicionando carbonato de calcio. Realizar los clculos pertinentes para encontrar la cantidad de componentes a usar. Identificar experimentalmente a qu modelo se ajustan los datos obtenidos del comportamiento reolgico del fluido de perforacin fabricado. Identificar los parmetros de cada modelo.

Reconocer los equipos de laboratorio y adquirir conocimientos sobre su correcto uso para el correcto montaje del mtodo del plato poroso. Detectar posibles errores en los equipos a utilizar en el montaje de la prueba antes mencionada.Comparar los valores obtenidos de manera terica y experimental de densidad, viscosidad y fuerza gel, analizar la informacin y concluir acerca de lo determinantes que pueden ser estos factores en propiedades trascendentales en los yacimientos.

1. IntroduccinLa preparacin de un buen lodo de perforacin que cumpla con los requerimientos operativos demandados es de vital importancia, permite mantener bajo control todas las posibles situaciones que se presenten en la operacin. Controlar la presin del subsuelo es tal vez lo ms importante al momento de perforar, ya que puede evitar circunstancias que pongan en riesgo la operacin o la integridad del personal, pero la remocin de los cortes tambin tiene una notable importancia, pues mejora la operacin. Para intervenir la densidad solo basta con una operacin sencilla para encontrar la cantidad necesaria de cada componente, siendo lo ms comn usar como base agua y sobre esta agregar los aditivos requeridos dependiendo de las especificaciones. La viscosidad se puede aumentar de forma anloga al agregar materiales viscosificantes, aunque en este caso hay que vigilar cmo se comporta el fluido al agregar el aditivo, es importante conocer el comportamiento cuando est en reposo, un fluido con una tixotropa alta pasa de tener ms inconvenientes que beneficios.En el presente informe mostraremos como lograr densificar un fluido de perforacin de 8,6 lbm/gal a 9,6 lbm/gal mediante la adicin de carbonato de calcio como agente densificante. Tambin se medirn los parmetros necesarios para encontrar el modelo relogico al cual se adapta ms el fluido. Las pruebas se realizaron en el laboratorio de fluidos de perforacin perteneciente a la Facultad de Minas de la Universidad Nacional de Colombia, sede Medelln.

2. Marco TericoEs importante mantener el control sobre un pozo en el momento de la perforacin, evitar dificultades que pongan en peligro la operacin, los equipos o el personal son prioridades en el campo, de igual forma optimizar los recursos para lograr el objetivo en el menor tiempo posible y de la mejor manera es la meta a cumplir en el marco de una perforacin exitosa. El fluido de perforacin es la principal herramienta que se posee para tener el control en la perforacin, modificando correctamente las propiedades de este se maneja los posibles problemas que puedan surgir durante el proceso.La densidad es tal vez la propiedad mas importante, permite tener bajo control la presin del subsuelo, usando la columna hidrosttica generada por el fluido, basta con la adicin de agentes que permitan incrementar la densidad del fluido si es lo que se requiere y diluir o remover por mtodos mecnicos para disminuirla.De igual manera la viscosidad tiene una importancia relevante, esta propiedad principalmente, es la que permite la remocin de los cortes generados mientras se perfora, adems de mantener en suspensin los elementos slidos que se agregan. La viscosidad se define como la resistencia de un fluido al flujo.La reologa es la ciencia que permite el estudio de la deformacin de los materiales, si son slidos o el flujo si son fluidos, en trminos de tensin de corte y velocidad de corte. La tensin de corte se define como la fuerza por unidad de rea necesitada para alcanzar una determinada deformacin, mientras que la velocidad de corte es el cambio de la velocidad a travs de la distancia y entre laminas.Los luidos se pueden clasificar segn su comportamiento reolgico en: fluidos newtonianos, se rigen por la ley de viscosidad de Newton, la velocidad de corte es directamente proporcional a la tensin de corte. Estn los fluidos no newtonianos, que a su vez se pueden clasificar en los que dependen del tiempo y en los que no dependen de el; los que no dependen del tiempo son los fluidos plsticos de Bingham que requieren vencer un esfuerzo para iniciar la deformacin, y luego se comportan de forma lineal, los fluidos pseudoplsticos que son los que no se comportan de forma lineal, la viscosidad del fluido disminuye y los fluidos dilatantes que son parecidos a los psudoplsticos con la diferencia de que los fluidos Dilatantes el ritmo del incremento del esfuerzo cortante con la velocidad de corte incrementa. Los que dependen del tiempo son los tixotrpicos y los reopcticos, los tixotrpicos son los que el esfuerzo de corte decrece con la duracin del corte, los reopcticos presentan un comportamiento contrario.

la descripcin reolgica de los fluidos se ha representado mediante modelos matemticos, para comprender su comportamiento, son varios os modelos usado, los mas comunes son: el modelo newtoniano donde la constante de proporcionalidad o viscosidad es suficiente para explicar el modelo, el modelo plstico de Bingham este presenta una relacin lineal luego de haber vencido un esfuerzo inicial conocido como punto de cedencia, el modelo de ley de potencias que asume que el fluido es pseudoplstico, y el modelo de ley de potencias modificado que es similar al modelo de ley de potencias pero incluye el punto de cedencia.

Una propiedad asociada a la viscosidad y que es de gran importancia para evitar pega de sartas, es la tixotropa, o la capacidad del fluido de adquirir una forma gelatinosa al dejarse en reposo, esta permite mantener en suspensin cortes y material solido cuando se detenga la operacin.

Conocer y mantener las propiedades del fluido de perforacin permitir tener siempre el control sobre la perforacin, volver ms eficiente la operacin y evitar calamidades que puedan traer tragedias.

3. Procedimiento y equipos para preparar una prueba piloto y realizar la medicin de densidad, viscosidad y fuerza gel.

A continuacin se describe el procedimiento terico seguido para la preparacin de una prueba piloto para un lodo base agua de densidad 8.6 lbm/gal.

Dadas las densidades del agua y de la bentonita respectivamente:

Se calcul la masa de bentonita y el volumen de agua a adicionar mediante las siguientes ecuaciones:

1). 2).

Despejando y reemplazando en 1). Se obtiene:

Y despejando se tiene que:

Por lo tanto la masa de bentonita a adicionar es:

Ahora, el volumen de agua a adicionar es:

Una vez obtenidos estos valores se procedi experimentalmente as:1. Medir la cantidad de agua y pesar la bentonita a adicionar. 2. Agregar el agua en el recipiente indicado para tal labor. 3. Llevarlo al agitador (mezclador). 4. Adicionar en pequeas cantidades la bentonita hasta conseguir una mezcla homognea.

A partir de este procedimiento se obtuvo un fluido de perforacin de densidad 8.6 .Posteriormente, se procedi a incrementar la densidad del lodo de perforacin hasta 9.6 mediante la adicin de carbonato de calcio. Para llevar a cabo este procedimiento, se tiene que: De esta manera se obtuvo que:1. 2. Reemplazando la ecuacin 2. En 1. Se tiene que:

Y finalmente despejando el volumen de carbonato se tiene que:

Y la masa de carbonato a adicionar es:

Balanza de lodos: Es un instrumento que se usa para determinar la densidad del lodo, permite hacer mediciones con una incertidumbre de 0.1 lbm/gal y est diseada de tal modo que la taza de lodo, que est en un extremo del astil, se puede balancear con un contrapeso fijo en el otro extremo. Est dotada de un mecanismo de desplazamiento que se mueve a lo largo de una escala graduada que permite leer directamente el valor de densidad garantizando precisin ya que cuenta con un nivel de burbuja que permite su balance. Se sigue el siguiente procedimiento para la medicin experimental de la densidad de un fluido de perforacin utilizando la Balanza para lodos: 1. Asegurar que la base de la balanza de lodo est nivelada sobre una superficie uniforme. 2. Llenar la taza hasta que reboce y taparla. Asegurarse de que parte del fluido sea expulsado a travs del orificio en la tapa, para as liberar el aire o gas que haya quedado atrapado. 3. Limpiar el fluido que haya quedado en la parte exterior de la tasa. 4. Colocar el brazo sobre el soporte de la base y equilibrarlo, moviendo el jinete en la escala graduada hasta que la burbuja coincida con la lnea central del nivel. 5. Registrar la densidad con una precisin de 0,1 lbm/gal o 0,5 Lbm/ft3 (0,01 g/cm3).

Viscosmetro rotacional: se usa para determinar las propiedades reolgicas del lodo, como la viscosidad plstica, punto de cedencia y fuerza gel. Es un instrumento de lectura directa, que esta constituido por un rotor que gira dentro una taza, impulsado por un motor elctrico que acta mediante un sistema de engranajes que hace girar el rotor a diferentes velocidades (en este caso 6 velocidades: 600, 300, 200, 100, 6, 3). Al girar el rotor, este produce cierto arrastre al bob, que es medido por un balanza de torsin e indica en la fuerza desarrollada en un dial.

Se sigue el siguiente procedimiento para la medicin experimental de la viscosidad de un fluido de perforacin utilizando el viscosmetro rotacional:1. Se ubica la muestra de lodo en el recipiente adecuado y es sumergido en el rotor hasta la marca de referencia. 2. Se manipula el equipo para conseguir las velocidades del cilindro rotor deseadas, es decir, se registran las lecturas que muestra el cuadrante a 600, 300, 200, 100, 6 y 3 RPM, en dicho orden. 3. Registrar las lecturas de las velocidades anteriormente mencionadas cuando se halla estabilizado dicha lectura.Para la medicin de la fuerza gel se sigui el procedimiento:1. Se introduce el fluido de perforacin hasta la marca indicada durante 10 segundos a una velocidad de 600 RPM.2. Se registra el mximo valor obtenido pasados estos 10 segundos.3. Se deja en reposo el fluido durante 10 minutos, teniendo cuidado de dejar preparado el viscosmetro para accionarlo luego del tiempo dicho en una velocidad de 3 RPM.4. Luego de los 10 minutos, accionar el viscosmetro rotacional a una velocidad de 3 RPM y registrar la mxima lectura marcada.

4. Clculos y resultados

Medicin de densidad inicial y final

Datos tericos

Datos experimentales

(gr)

Tabla 1. Datos tericos y experimentales medicin de densidad inicial.

Datos tericos

Datos experimentales

(gr)

Tabla 2. Datos tericos y experimentales medicin de densidad final.

Medicin de Viscosidad con viscosmetro rotacional

Velocidad de corte (RPM)Velocidad de corte (1/seg)Esfuerzo de corte (Fann0.1) Esfuerzo de corte(lbf/100ft)

6001021.386468.16

300510.75255.38

200340.464648.99

100170.234042.6

610.21383436.21

35.10693335.145

Tabla 3. Datos obtenidos prueba de viscosidad.

Modelos Reolgicos

A continuacin se calcularon los parmetros respectivos para cada modelo reolgico y se graficaron en las figuras a continuacin.

Para los modelos reolgicos las unidades usadas fueron:

Fluido Newtoniano

El modelo de fluidos Newtonianos est representado por la siguiente ecuacin:

Figura 1. Ajuste de datos obtenidos al modelo Newtoniano.

Plstico de BinghamEl modelo plstico de Bingham est dado por la ecuacin:

Donde:

.78

Finalmente,

Figura 2. Ajuste de datos obtenidos al modelo plstico de Bingham.

Ley de potenciaEl modelo de ley de potencias est dado por la ecuacin:

Donde:

Por lo tanto:

Figura 3. Ajuste de datos obtenidos al modelo de ley de potencias.

Ley de potencia modificadaEl modelo de ley de potencias modificada est dado por la ecuacin:

Donde:

Por lo tanto, se tiene que:

Figura 4. Ajuste de datos obtenidos al modelo de ley de potencias modificado.

Medida de fuerza gel

Tiempo de registroMxima medida registrada (Fann0.1)Mxima medida registrada (lbf/100ft)

10 segundos3031.95

REPOSO

10 minutos3436.21

Tabla 4. Datos obtenidos para la prueba de fuerza gel.

5. Anlisis Al comparar los resultados de densidad inicial obtenidos de forma terica y experimental se tiene que el porcentaje de error es:

Anlogamente, para la densidad final, es decir luego de densificarla con la adicin de carbonato de calcio, se obtuvo el mismo porcentaje de error. No obstante se debe tener en cuenta que este resultado no introduce la incertidumbre de los instrumentos de medida; es decir, el porcentaje de error no es cero, pero se podra afirmar que se minimizaron causas de error como: Prdida de agua, bentonita o carbonato de calcio en alguna parte del proceso, principalmente durante al agitacin. Error o imprecisin de los operarios en la toma de volumen de agua y masas de bentonita y carbonato de calcio. Mala calibracin de los equipos. Errores en el mtodo de medida, es decir imprecisin de los instrumentos.

En el caso de la medida de viscosidad, como era de esperarse, al disminuir la velocidad de rotacin del rotor, la viscosidad leda fue menor. Esto evidencia que el viscosmetro rotacional reporta un menor torque realizado por la friccin entre el bob y el fluido.

Para comparar los modelos reolgicos y ajustar el fluido de perforacin preparado a uno de ellos, se calcul un porcentaje de error promedio. Este porcentaje de error permite verificar cual modelo se ajusta mejor al fluido en cuestin, de modo que se calcula el error promedio (mostrado en la siguiente ecuacin) para cada uno y se busca cual de ellos arroja el mnimo error.

Donde:: tasa de corte medida: tasa de corte calculada por el modelo en cada punto.

El modelo que se ajusta mejor a las caractersticas del fluido es el que su respectivo valor de porcentaje de error sea ms cercano a cero.

Por tanto, calculando dicho porcentaje de error para cada modelo se tiene que:

MODELOPORCENTAJE DE ERROR (%)

Newtoniano81.34

Plstico de Bingham77.45

Ley de potencias38.85

Ley de potencias modificada30.95

Tabla 5. Porcentajes de error para cada modelo reolgico.

Por tanto, se podra afirmar que el fluido de perforacin se ajusta mejor al modelo de ley de potencias modificado, dado que tiene menor porcentaje de error que los dems modelos planteados. No obstante, esto no implica que sea el nico modelo con una buena aproximacin.

Segn la literatura, el modelo plstico de Bingham se recomienda para lodos bentonticos. Esto se cumple nicamente para altas revoluciones, por lo que en este caso no aplicara ya que se manejaron tanto altas como bajas revoluciones. Anexo a esto, se introdujeron importantes errores a la hora de obtener los datos experimentales y tericos como son: Desprecio de cifras significativas. Imprecisin de instrumentos. Errores del operario.Lo que impide tener aproximaciones lo suficientemente ajustadas a un modelo especfico. Pese a esto, se puede concluir que se demanda un esfuerzo de corte diferente de cero para iniciar el movimiento (denominado punto de cedencia), por lo tanto el modelo de ley de potencias modificado cumple con este requisito y se ajusta a la reologa presentada por el lodo fabricado.Se debe mencionar que las prdidas de presin para un pozo dado deben calcularse con el modelo reolgico de mejor ajuste con el objetivo de recrear las condiciones reales.

Dado que el ndice de comportamiento de flujo n indica el grado de comportamiento No newtoniano del fluido, se puede afirmar que se trata de un fluido no Newtoniano (n=0.3