NOMBRE: KAREN TATIANA COSME QUISPE

DOCENTE: ING. WILSON MEDINACelli

AUXILIAR: CESAR

FLUIDOS DE

PERFORACION

PROPIEDADES REOLOGICAS DE LOS FLUIDOS DE PERFORACION

“VISCOSIMETRO TROTATORIO”1. OBJETIVOS1.1 OBJETIVO GENERAL Determinar las propiedades reologicas del fluido de perforación base agua con el viscosímetro FANN1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS Determinación del esfuerzo gel, viscosidad plástica y el punto cedente con el viscosímetro FANN Determinación del esfuerzo gel con el shearometro .

2. JUSTIFICACION

La realización de este laboratorio es muy importante, el saber cómo determinar las propiedades reologicas de los lodos de perforación ya que en campo estas propiedades son controladas constantemente ya que una variación de cualquiera de estas pone en riesgo el trabajo de perforación, es por eso que se deben mantener las propiedades reologicas del lodo inicial.

3. MARCO TEORICO

Por definición la viscosidad es la resistencia de un fluido a fluir; como ya se ha visto en una practica 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 pazo. Sin embargo es necesario advertir acerca de las desventajas de perforar con un lodo de viscosidad excesivamente alta, lo que puede ocasionar alguno de los siguientes problemas:

• Baja velocidad de penetraci6n. • Aparición de sobre-presiones y depresiones cuando se baja y se saca la sarta de perforaci6n. • Aumentos sensibles en el costo de la inyecci6n introducidos par 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.

REOLOGIA

Es la ciencia que estudia la deformación que sufren los fluidos cuando se les aplica fuerza. Es el estudio de los fluidos en movimiento.Existen dos tipos de fluidos en la naturaleza:

FLUIDOS NEWTONIANOS

Son aquellos cuya viscosidad se mantiene constante independientemente de la velocidad a que están siendo cortados cuando se mueven en conductos de régimen laminar. Es decir,

mantienen una relación directa y proporcional entre el esfuerzo de corte que genera el movimiento y la velocidad de corte a la cual se mueve.La relación que liga la fuerza con el desplazamiento está dada por la siguiente fórmula:

FA [ lb

100 ft2 ]=u (−vt )

Gráfico: Fluido newtoniano

El esfuerzo de corte debe ser medido a distintas velocidades de corte para caracterizar las propiedades de flujo de un fluido. Sólo se requiere una medida, porque el esfuerzo de corte es directamente proporcional a la velocidad de corte para un fluidonewtoniano. A partir de esta medida, se puede calcular el esfuerzo de corte a cualquier otra velocidad de corte, usando la siguiente ecuación:

t = µ * g

VISCOSIDAD

Es la resistencia interna del fluido al movimiento, y que gobierna la relación del esfuerzo y la velocidad.Los fluidos que corresponden a la ecuación de Newton o fluidos newtonianos son: agua, glicerina, algunos compuestos de hidrocarburos, salmueras diluidas, etc.

TIPOS DE FLUJOS

Los fluidos se pueden mover según tres tipos de flujo:

FLUJO TAPON

Se da cuando se inicia el movimiento, a muy bajas velocidades, fluyendo con un perfil de velocidades donde el vector velocidad es siempre paralelo al eje del tubo y tiene el mismo sentido y magnitud alrededor de este, a excepción de las paredes del tubo. Es decir la velocidad es constante tanto en sentido como en intensidad, el perfil es achatado y plano.

FLUJO LAMINAR

A medida que crece la velocidad de flujo, el perfil va tomando la característica parabólica con vectores de velocidad mínimo en las paredes y que va creciendo hacia el centro del tubo donde tiene su máximo valor. La velocidad es paralela al eje del tubo, tiene el mismo sentido pero varía en intensidad.

FLUJO TURBULENTO

A mayor velocidad del fluido, en este caso la velocidad se vuelve caótica, no es paralela al eje del tubo, no tiene un sentido definido y tiene distintas intensidades aun en un mismo punto.El paso de un flujo a otro depende de un número adimensional conocido como Número De Reynolds re N , este número depende de factores como características del flujo que se mueve, geometría del conducto donde se mueve y caudal del fluido que fluye. A medida que la viscosidad del fluido crece el re N va aumentando para el pasode laminar a turbulento y crece aun mas si el fluido es newtoniano.

FLUIDOS NO-NEWTONIANOS

Son los fluidos cuya viscosidad cambia con el esfuerzo de corte, este cambio puede ser ascendente o descendente. Es decir que la relación entre el esfuerzo y la velocidad de corte ya no es lineal.Algunos ejemplos de estos fluidos son algunos polímeros, mezclas de arcillas con agua, lodos de perforación, pinturas, colas de pegar, etc.

GRAFICO: COMPORTAMIENTO DE UN FLUIDO NO NEWTONIANO

CLASIFICACION DE LOS FLUIDOS NO-NEWTONIANOS

Se clasifican en dos grandes grupos:

1. Aquellos cuyas propiedades son independientes del tiempo

1) Fluidos Bingham-plásticos 2) Fluidos seudo plásticos

3) Fluidos dilatantes

2. Aquellos cuyas propiedades son dependientes del tiempo

• Fluidos tixotrópicos

1 FLUIDOS PSEUDO-PLASTICOS

Cuyo movimiento se inicia con la aplicación de la fuerza, entre los cuales están los fluidos adelgazantes, que son aquellos cuya viscosidad disminuye al crecer la velocidad de corte entre los que se encuentran los fluidos de perforación y los dilatantes, aquellos cuya viscosidad aumenta al crecer la velocidad de corte.

2 FLUIDOS PLASTICOS DE BHIMGAN

Son los que tienen cierta energía a vencer antes de iniciar el movimiento(Tensión de cedencia)Existen otros fluidos No-Newtonianos más complejos en que la velocidad de corte no solo es función del esfuerzo de corte, sino también del tiempo y de la historia previa del esfuerzo aplicado al fluido, la viscosidad depende del tiempo y de la historia previa del esfuerzo aplicado al fluido, la viscosidad depende de la velocidad de corte y del tiempo durante el cual se aplica el esfuerzo. Entre estos tenemos

3 FLUIDOS DILATANTES

El comportamiento de los fluidos diletantes puede ser caracterizado por la curva de flujo de la figura La viscosidad efectiva de un fluido dilatante incrementa con el incremento de la velocidad de corte. Esta no es una característica deseable para un fluido de perforación.

GRAFICO: REPRESENTACION DE LOS TRES TIPOS DE FLUIDOS

VISCOSIDAD EMBUDO (viscosidad Marsh)

La viscosidad de embudo se mide usando el viscosímetro de Marsh. La viscosidad embudo se usa como indicador relativo de la condición del fluido. No proporciona suficiente información para determinar las propiedades reológicas o las características de flujo de un fluido. Debería usarse en el campo para detectar los cambios relativos en las propiedades del fluido de perforación. Además, ningún valor en particular de la viscosidad de embudo

puede ser adoptado como valor representativo de todos los fluidos. Lo que produce buenos resultados en un área puede fallar en otra; sin embargo, se puede aplicar una regla general a los fluidos de perforación a base de arcilla. La viscosidad de embudo de la mayoría de los fluidos base arcilla se controla a cuatro veces la densidad (lb/gal) o menos.Sin embargo hay ciertas excepciones, como en las áreas donde se requiere el uso de fluidos de alta viscosidad.Los sistemas de polímeros e inversión inversa (base aceite o base sintética) no siguen necesariamente estas reglas.

VISCOSIDAD EFECTIVA (μe)

La viscosidad de un fluido no newtoniano cambia con el esfuerzo de corte. La viscosidad efectiva (μe) de un fluido es la viscosidad de un fluido bajo condiciones específicas. Estas condiciones incluyen la velocidad de corte, la geometría por donde fluye el fluido, la presión y la temperatura.

VISCOSIDAD APARENTE (μa)

La viscosidad aparente está indicada por la indicación del viscosímetro de lodo a 300 RPM (ϴ300) o la mitad de la indicación del viscosímetro a 600 RPM (_600). Esta es una reflexión de la viscosidad plástica y el punto cedente combinados, un incremento en cualquiera de ellos causara un incremento en la viscosidad aparente (y probablemente en la viscosidad embudo). La ecuación para el calculo de la viscosidad aparente es la siguiente:

Viscosidad aparente (AP) cp = lectura @600 rpm/2

VISCOSIDAD PLASTICA (VP)

La viscosidad plástica (VP) en centipoises (cP) o mili pázcales-segundo (mPa•s) secalcula a partir de los datos del viscosímetro de lodo, como:

VP (cP) = lectura @600rpm – lectura @300rpm

La viscosidad plástica se describe generalmente como la parte de la resistencia al flujo que es causada por la fricción mecánica.La viscosidad plástica es afectada principalmente por:1. La concentración de sólidos.2. El tamaño y la forma de los sólidos.3. La viscosidad de la fase fluida.4. La presencia de algunos polímeros de cadena larga (POLY-PLUS®, hidroxietilcelulosa (HEC), POLYPAC®, Carboximetilcelulosa (CMC)).5. Las relaciones aceite-agua (A/A) o Sintético-Agua (S/A) en los fluidos de emulsión inversa.

La fase sólida es lo que más interesa al ingeniero de fluidos. Un aumento de la viscosidad plástica puede significar un aumento en el porcentaje en volumen de sólidos, una reducción del tamaño de las partículas de los sólidos, un cambio de la forma de las partículas o una combinación de estos efectos. Cualquier aumento del área superficial total de los sólidos

expuestos se reflejará en un aumento de la viscosidad plástica. Por ejemplo, en una partícula sólida que se parte por la mitad, el área superficial expuesta combinada de los dos trozos será más grande que el área superficial de la partícula original. Una partícula plana tiene más área superficial expuesta que una partícula esférica del mismo volumen. Sin embargo, la mayoría de las veces, el aumento de la viscosidad plástica resulta del aumento en el porcentaje de sólidos. Esto puede ser confirmado mediante los cambios de densidad y/o el análisis en retorta. Algunos de los sólidos contenidos en el fluido están presentes porque fueron añadidos intencionalmente. Por ejemplo, la bentonita es eficaz para aumentar la viscosidad y reducir la pérdida de fluidos, mientras que la Barita es necesaria para en incremento de la densidad. Como regla general, la viscosidad del fluido no debería ser mas alta que la que se requiere para la limpieza del pozo y la suspensión de la Barita.

PUNTO CEDENTE (YIELD POINT)

El yield point (YP) es la resistencia inicial al flujo causada por fuerzas electromagnéticas entre las partículas. Estas fuerzas electromagnéticas son debidas a las cargas en la superficie de las partículas dispersas en la fase liquida. El punto cedente es una medida de estas fuerzas bajo condiciones de flujo y es dependiente de:

1. Las propiedades de la superficie de los sólidos contenidos en el lodo,2. La concentración en volumen de estos sólidos y3. El ambiente iónico del líquido que rodea los sólidos.El yield point se mide en lb/100 ft2 y se calcula con la siguiente ecuación:

YP = lectura @ 300rpm – VPUn aumento en el YP causaría un incremento de la viscosidad del fluido de perforación, para su control se debe realizar un tratamiento químico.

FUERZA GEL

Las fuerzas gel a 10 segundos y 10 minutos se miden con el viscosímetro Fann (VG meter), esta fuerza gel indica las fuerzas de atracción (gelación) de las partículas de un fluido de perforación bajo condiciones estáticas. Una excesiva gelación es el resultado de una alta concentración de sólidos, lo que lleva a la floculación del lodo (consecuencia indeseable pues esto causaría un aumento de viscosidad, gelificación y filtrado).Signos de problemas con las propiedades reológicas del lodo a menudo son reflejados por el excesivo desarrollo de la fuerza gel del lodo. Cuando existe un amplio rango entre el gel inicial y el de 10 minutos, estas son llamadas “geles progresivas” (esta no es una situación deseable, pues la fuerza para iniciar el movimiento será cada ves mayor). Si el gel inicial y el de 10 minutos son ambos altos, sin una diferencia apreciable entre ellos, estos se denominan “High-flat Gels” (también indeseables). No debe permitirse que la gelación adquiera un valor mas alto de lo necesario para ejecutar las funciones de suspensión de recortes y material densificante. Para la suspensión, la condición de gel frágil es deseable, como se muestra en la figura de abajo.

MODELOS REOLÓGICOS

Un modelo reológico es una descripción de la relación entre el esfuerzo de corte y la velocidad de corte. La ley de viscosidad de Newton es el modelo reológico que describe el comportamiento de flujo de los fluidos newtonianos. También se llama modelo newtoniano. Sin embargo, como la mayoría de los fluidos de perforación son fluidos no newtonianos, este modelo no describe su comportamiento de flujo. En realidad, como no existe ningún modelo reológico específico que pueda describir con precisión las características de flujo de todos los fluidos de perforación, numerosos modelos han sido desarrollados para describir el comportamiento de flujo de los fluidos no newtonianos. A continuación se proporciona una descripción de los modelos de Flujo Plástico de Bingham, de Ley Exponencial y de Ley Exponencial Modificada. El uso de estos modelos requiere medidas del esfuerzo de corte a dos o más velocidades de corte. A partir de estas medidas, se puede calcular el esfuerzo de corte a cualquier otra velocidad de corte.

MODELO DE FLUJO PLÁSTICO DE BINGHAM

El Flujo Plástico de Bingham ha sido usado más frecuentemente para describir las características de flujo de los fluidos de perforación. Éste es uno de los más antiguos modelos reológicos que son usados actualmente. Este modelo describe un fluido en el cual se requiere una fuerza finita para iniciar el flujo (punto cedente) y que luego demuestra una viscosidad constante cuando la velocidad de corte aumenta (viscosidad plástica).

Para el lodo típico, si se hace una curva de consistencia para un fluido de perforación con los datos del viscosímetro rotativo, se obtiene una curva no lineal que no pasa por el punto de origen, según se muestra en la Figura El desarrollo de los esfuerzos de gel hace que la intersección de Y se produzca en un punto por encima del punto de origen, debido a la fuerza mínima requerida para romper los geles e iniciar el flujo.

MODELO DE LEY EXPONENCIAL

El modelo de Ley Exponencial procura superar las deficiencias del modelo de Flujo Plástico de Bingham a bajas velocidades de corte. El modelo de Ley Exponencial es más complicado que el modelo de Flujo Plástico de Bingham porque no supone que existe una relación lineal entre el esfuerzo de corte y la velocidad de corte, como lo indica la Figura. Sin embargo, como para los fluidos newtonianos, las curvas de esfuerzo de corte vs. velocidad de corte para los fluidos que obedecen a la Ley Exponencial pasan por el punto de origen. Este modelo describe un fluido en el cual el esfuerzo de corte aumenta según la velocidad de corte elevada matemáticamente a una potencia determinada.

INDICES DE CONSISTENCIA Y DE COMPORTAMIENTO DE FLUJO

Dentro del control de la ingeniería de lodos y en la aplicación de los modelos reológicos, mas 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 calculo de dos tipos de índices que están directamente ligados a las propiedades reológicas del lodo, estos índices son:

Índice de comportamiento de flujo (n) Índice de consistencia (k)

fluido que obedece a la Ley Exponencial forma una línea recta, como lo indica la Figura. La “pendiente” de esta línea es “n”. K’ es la intersección de esta línea. El índice “n” de Ley Exponencial indica el grado de comportamiento no newtoniano de un fluido sobre un rango determinado de velocidades de corte. El índice de consistencia “K” es la viscosidad a una velocidad de corte de un segundo recíproco (seg-1). Este índice está relacionado con la viscosidad de un fluido a bajas velocidades de corte. La eficacia con la cual un fluido limpia el pozo y suspende los materiales densificantes y los recortes puede ser mejorada aumentando el valor de “K”. El índice de consistencia “K” está generalmente expresado en lb-seg-n/100 pies2,

INDICE DE COMPORTAMIENTO DE FLUJO (n)

Es un número a dimensional 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:

n=1,4427 ln(2VP+YPVP+YP )

Si se tienen los esfuerzos de corte:

n=1,4427 ln( τ600

τ300)

La Figura muestra una comparación entre un fluido de perforación típico y un fluido que disminuye su viscosidad con el esfuerzo de corte, un fluido newtoniano y un fluido dilatante.

El efecto de “n” sobre el perfil de flujo y el perfil de velocidad es muy importante para los fluidos no newtonianos que disminuyen su viscosidad con el esfuerzo de corte. A medida que el perfil de viscosidad se aplana (ver la Figura 18), la velocidad del fluido aumenta sobre un área más grande del espacio anular, lo cual aumenta considerablemente la limpieza del pozo. Ésta es una de las razones por las cuales los fluidos de bajo valor de “n” como Flo-Pro proporcionan una limpieza del pozo tan buena.

INDICE DE CONSISTENCIA (K)

Es una relación existente entre la reología del lodo y el índice de consistencia de este. EI índice de consistencia se calcula por la siguiente expresión:

K=YP+VP511n

Si se tienen los esfuerzos de corte:

K=τ300

511n

La aplicación de estos índices esta ligado a los cálculos de hidráulica de perforación para encontrar las velocidades de flujo del lodo, el numero de Reynolds, la velocidad de caída de los recortes, etc. Normalmente para encontrar el VP y el YP son necesarios sustituir los valores de los esfuerzos de corte en complicadas formulas para determinar la viscosidad plástica, el punto cedente y la viscosidad aparente, pero usando un viscosímetro rotativo el trabajo se hace mas simple con el reemplazo de las lecturas en [rpm].

TIXOTROPIA

La Tixotropía de un fluido de perforación es su capacidad para desarrollar un esfuerzo de gel con el tiempo, o la propiedad de un fluido que hace que éste desarrolle una estructura rígida o semirígida de gel cuando está en reposo, pero que puede volver a un estado fluido bajo agitación mecánica. Este cambio es reversible.

4. EQUIPOS Viscosímetro rotatorio FANN shearometro

Viscosímetro FANN

Partes del viscosímetro FANN

SHEAROMETRO

5. PROCEDIMIENTOINICIO

Conectar fuente apropiada

Llenar con fluido agitado hasta marca

Colocar la taza del viscosímetro en el mismo

En equipo ajustar la perilla y el switche a 600rpm

Registrar la lectura cuando la aguja alcance la máxima

deflexion

Proceder de la misma forma para lecturas de 300, 200,

100, 6 y 3rpm

fin

Ilustración del manejo de la perilla y el switche

INICIO

Determinación Esfuerzo Gel con VG

Apagar motor, switche –media

Ajustar pora lectura 3rpm

Leer el valor a la máxima deflexion

Fluido estatico 10seg

Registrar fuerza gel a los 10seg

Proceder de la misma forma para 6rpm solo que la lectura se

realizara a los 10 min

FIN

6. CALCULOS6.1 CALCULAR LAS VISCOSIDADES PLASTICAS, APARENTES Y PUNTOS CEDENTES.

-VISCOSIDAD PLASTICA (VP)

VP (cP) = lectura @600rpm – lectura @300rpm

-VISCOSIDAD APARENTE (VA)

Viscosidad aparente (AP) cp = lectura @600 rpm/2

-PUNTO CEDENTE (YP)

YP lb/100ft2= lectura @ 300rpm – VP

LODO 1

Determinación Esfuerzo Gel con shearometro

INICIO

Equipo limpio-seco

Elegir tubos con masa de (5+0,1g)

Llenar el lodo en shearometro-lodo agitado hasta nivel

Soltar tubo aluminio-en escala graduada reportar

EG a 10seg

Sacar tubo dejar lodo en reposo-10 min

Luego realizar el mismo procedimiento

Leer el EG a 10 min

FIN

Viscosidad plástica

VP (cP) = 194 – 155 VP (cP) = 39Viscosidad aparente

Viscosidad aparente (AP) cp = 194/2

Viscosidad aparente (AP) cp =97

Yield point

YP lb/100ft2= 155 – 39 YP lb/100ft2=116

LODO 2

Viscosidad plástica

VP (cP) = 160 – 104 VP (cP) = 56Viscosidad aparente

Viscosidad aparente (AP) cp = 104/2

Viscosidad aparente (AP) cp =52

Yield point

YP lb/100ft2= 104 – 56 YP lb/100ft2=48

6.2 INDIQUE LA DIFERENCIA ENTRE AMBOS SI LA EXISTIESE

De los resultados obtenidos podemos observar que el lodo 2 tiene menor yield point por lo que podemos advertir que el lodo 1 tiene mayor Resistencia al flujo.

6.2 DIBUJE LAS CURVAS: FUERZA GEL VS. TIEMPO, DETERMINADOS POR EL VISCOSIMETRO GIRATORIO Y EL SHEAROMETRO-VISCOSIMETRO GIRATORIO FANNLodo 1

-SHEAROMETRO

6.4 CALCULAR LOS INDICES DE CONSISTENCIA Y DE COMPORTAMIENTO PARA CADA LODO

-INDICE DE COMPORTAMIENTO DE FLUJO (n)

n=1,4427 ln( τ600

τ300)

-INDICE DE CONSISTENCIA (K)

K=τ300

511n

LODO 1

-INDICE DE COMPORTAMIENTO DE FLUJO (n)

n=1,4427 ln( 194155 )

n=0,32

-INDICE DE CONSISTENCIA (K)

K= 1555110,32

K=21,07

LODO 2

-INDICE DE COMPORTAMIENTO DE FLUJO (n)

n=1,4427 ln( 160104 )

n=0,62

-INDICE DE CONSISTENCIA (K)

K= 1045110,62

K=2,18

6 OBSERVACIONES En laboratorio lamentablemente solo se contaba con un transformador por lo que

solo hicimos de un lodo cuando debíamos haber realizado el experimento para tres lodos.

También observe que es muy importante saber el manejo del viscosímetro fann para obtener datos confiables.

7 CONCLUSIONES Se determino satisfactoriamente la viscosidad plastica ,viscosidad aparente y el punto

cedente con el viscosímetro giratorio FANN En la determinación del esfuerzo gel con el shearometro se lo realizo de manera

satisfactoria pero se observo que este no es un método tan exacto ya que los datos se alejan por varias unidades.

Por lo tanto en el laboratorio pudimos observar esta tres propiedades reologicas la diferencia para un lodo pesado y otro menos pesado, estas son muy importantes durante el trabajo de perforación ya que si estas propiedades no son controladas adecuadamente podría afectar en la perforación ya que el fluido de perforación es esencial para la perforación.

8 BIBLIOGRAFIA Guía de fluidos de perforación y laboratorio Fredy Guarachi Nueva Guía de fluidos de perforación y laboratorio auxiliares de fluidos