Reología
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REOLOGIA DEL FLUIDO DE PERFORACION
REOLOGIA
Reología es el estudio de como
la materia fluye y se deforma
?VISCOSIDAD
VISCOSIDAD
Resistencia de un fluido a fluir
VISCOSIDAD FUNNEL
100 centipoise (cp) = 1 poise
Centipoise es la dimensión usada para expresar:
Viscosidad Plastica Viscosidad Aparente Viscosidad Efectiva
Viscosidad
VISCOSIDAD EFECTIVA
300 x Lectura del dial
RPM
VE =
VE = Viscosidad efectiva, centipoise
La dimensión de lb/100 sq ft son usadas para expresar:
Yield point
Initial gel
10-minute gel
Viscosidad
VISCOSIDAD
Shear StressShear Rate
VISCOSIDAD
FuerzaVelocidad
oLectura del dial
RPM
SHEAR STRESS
Fuerza interna que resiste al flujo.
Perdida presión en el sistema (presión circulante en el equipo)
Simulada por la lectura del dial en un viscosimetro
SHEAR RATE
Dri
ll S
trin
g
Formacion
Anular
La velocidad en la cual una capa del fluido se mueve sobre la otra
SHEAR RATE
La velocidad real (promedio) es la velocidad en la cual el fluido se esta moviendo.
La velocidad anular en el sistema de circulacion es un ejemplo de velocidad real.
La Velocidad son los RPM en un viscosimetro
VISCOSIDAD
Lectura del Dial RPM
FACTORES INFLUENCIADOS POR LA REOLOGIA DEL LODO,
Limpieza del hueco.
Suspensión de solidos
Estabilidad del hueco
Control de solidos
Densidades equivalentes circulantes.
Presiones de surgencia/suaveo.
MEDIDA – VISCOMITRO ROTACIONAL
Torsion Spring
Inner Cylinder
Bearing Shaft
Rotor
Bob
Cup
EFECTOS DE TEMPERATURA & PRESION
La temperatura reduce la
viscosidad
La presión incrementa la
viscosidad
Alta temperatura
Degradación de polimeros
Gelación de solidos
VISCOSIDAD PLASTICA
Resistencia a fluir debido a la fricción mecánica
Afectada por: Concentración de solidos. Tamaño y forma de los solidos Viscosidad de la fase fluida
LA PLASTIC VISCOSITY SE INCREMENTA POR:
Sólidos de perforación hidratables Arcillas, shales
Sólidos de perforación inertes Arenas, areniscas, etc.
Material Coloidal Starch, CMC
Particulas fracturadas, que incrementan el area y aumentan la fricción.
Material pesado para incrementar la densidad.
LA VISCOSIDAD PLASTICA SE INCREMENTA POR:
AREA INCREMENTADA POR LA FRACTURACION DE SOLIDOS
6-inch cube
1-inch cube
1-foot cube
VOLUME1 cu ft = 1728 cu in8 6-in cubes = 1728 cu in1728 1-in cubes = 1728 cu in
SURFACE AREA1 cu ft = 864 sq in8 6-in cubes = 1728 sq in1728 1-in cubes = 10,368 sq in10,368 - 864 = 9504 sq in increase
EFFECT OF PARTICLE SIZE ON VISCOSITY
10 11 12 13 14 15
Mud Weight, ppg
Apparent Viscosity, cP
40
80
120
160
200
Regular Barite
0-3 Barite
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21
Pla
stic V
isco
sity,
Yie
ld P
oin
t &
MB
T
Mud Weight, lbs/gal
PV & YP v. Mud Wt, lbs/gal
Max Recommended PV
Max Recommended YP
Max Recommended MBT
PV, YP vs Mud Wt. ppg
LA VISCOSIDAD PLASTICA DISMINUYE POR:
Remoción de sólidos
Shale shaker
Desarenadores, desilters, y centrifugas
Disminución del gel strength a través de la salida de partículas grandes
Dilución de sólidos con agua
COMO AFECTA LOS SOLIDOS LA VISCOSIDAD DEL LODO
Viscosity No Alternative - Water must be added because chemical is not effective
Add More Chemical
AddChemical
Low Gravity Solids
YIELD POINT
Resistencia a fluir debido a la dispersión o atracción entre sólidos.
Afectados por: Tipo de sólidos y cargas asociadas Concentración de estos solidos Sales disolventes
EL YIELD POINT SE INCREMENTA POR:
Las arcillas perforadas hidratables y los shales incrementan el contenido de sólidos reactivos
Insuficiente concentración de defloculantes
EL YIELD POINT SE INCREMENTA POR:
Sobre-tratamiento con Soda Ash o Bicarbonato de Sodio que resulta en una contaminación por carbonato/bicarbonato
Adición de sólidos inertes (como barita) lo que los sólidos reactivos estén mas cerca resultando en un incremento de las fuerzas de atracción.
EL YIELD POINT SE INCREMENTA POR:
Contaminantes Sal, cemento, anhidrita, gases acidos, etc.
neutralizas cargas de las particulas de arcilla causando floculacion
Las particulas de arcillas fracturadas causan fuerzas residuales en las facetas de las particulas resultando en floculación.
Neutralizando el rompimiento de las valencias de union en las caras de las particulas de arcilla adsorbiendo los iones negativos del lignito, lignosulfonatos, fosfatos, etc.
Remoción de los iones contaminantes (calcio o magnesio) causando la floculación por precipitación del ion con soda ash, bicarbonato de sodio o fosfato.
EL YIELD POINT SE INCREMENTA POR:
EL YIELD POINT DISMINUYE POR:
La adición de agua minimiza la floculación, pero no es la solución..
La floculación es un problema químico y debe ser tratado con química.
Grades adiciones de agua tambien puede ser la solución. Pero esta requiere una gran cantidad de adición de material de peso, lo que puede ser muy costoso.
INTERPRETACION DE LOS VALORES DE VG
Incrementos del YP con pequeños o ningun cambio en VP indica un problema químico,que puede ser reducido con la adición de químicos defloculantes solamente.
Incrementos de la VP con un pequeño o ningun cambio en el YP indica un problema de solidos, que puede ser reducido con la adición de agua o un adecuado sistema de control de solidos.
INTERPRETACION DE LOS VALORES DE VG
Grandes incrementos simultáneos entre el YP y la VP indican usualmente un incremento en la reactividad de los contenidos de arcilla en el lodo.
Esto debe ser tratado con la adición de tanto agua como agente defloculante.
GEL STRENGTH
La estructura de Gel se desarrolla cuando el lodo esta estatico como las particulas de arcillas reactivas que se mueven muy lentamente (Movimiento Browniano), arrastrando otras particulas de arcillas reactivas y uniondose entre ellas de manera positivo- negativo con respecto a cada uno de las formas estructural de gel.Gel strength es función del tiempo y temperatura, concentracion y esfuerzo de las particulas atractivas.
GEL STRENGTH
Gel Strengths disminuye la rata de levantamiento de los cortes cuando la circulacion es interrumpida.
Time
Gels
PROGRESSIVE
FRAGILE
PROBLEMAS ATRIBUIBLES A LA ALTA VISCOSIDAD Y AL GEL STRENGTHS
Mayor presión de bomba para romper la circulacion
Perdidas de circulacion por presion de surgencias.
Desestabilizacion de las arcillas y entrada de fluidos al pozo.
Se presenta carga de arena abrasiva por el lodo.
THIXOTROPIA Thixotropia: Debido a las laminas de
arcillas arregladas entre ellas en un posicionde energia libre.
A mayor tiempo mayor es la fuerza de YP se requiere para colocar en fluido de nuevo en movimiento de nuevo.
Gel Strength (lbs/100ft2)
Yield Point (lbs/100 ft2) S
hea
r S
tres
s
Gel Strength
Yield Point
DecreasingShear Rate
IncreasingShear Rate
Shear Rate
TIPOS DE FLUIDOS
Newtonianos
Non-Newtonianos
FLUIDOS NEWTONIANOS
El Shear stress es directamente proporcional al shear rate,
i.e., viscosity (shear stress/shear rate) is constant regardless of shear rate.
Yield Point = 0
FLUIDOS NEWTONIANOS
Si la lectura a 600 es el doble al 300, el fluido es Newtoniano
NEWTONIANO600 DR = 80300 DR = 40
SHEAR RATE
SH
EA
R S
TR
ES
S
FLUIDOS NEWTONIANOS
FLUIDOS NO-NEWTONIANOS
La viscosidad depende de la rata de esfuerzo. No existe una relación lineal. Shear thinning (as the shear rate is increased, the shear stress increases at a lower rate than that of the shear rate, making it less than a proportional increase) When in laminar flow they are thinner at high shear rates than at low shear rates
FLUIDOS NO-NEWTONIANOS
Si la lectura a 600 es menor a dos veces la lectura de 300, el fluido es shear thinning o No-Newtoniana.
NO-NEWTONIANO600 DR = 68300 DR = 40
NON-NEWTONIAN FLUIDS
SHEAR RATE
SH
EA
R S
TR
ES
S
MODELOS REOLOGICOS
Plástico de Bingham
Ley de Potencia
MODELO PLASTICO DE BINGHAM
R P M
LE
CT
UR
A D
IAL
FA
NN
300 600
40
25
10
0
600 = 40300 = 25PV = 15YP = 10
ECUACION DEL MODELO PLASTICO DE BINGHAM
F = YP + PV
PV = Viscosidad plastica YP = Yield Point R = RPM Rotary Speed F = Lectura del dial a una
velocidad R
R
300
MODELO DE LEY DE LA POTENCIA
SHEAR RATE
SH
EA
R S
TR
ES
S
n = 1
n = 0
.5n = 0
.25
k
ECUACION DEL MODELO DE LEY LA POTENCIA
F = K (RPM)n
F = Shear Stress, unidades dialRPM = Shear Rate, velocidad
bomba K = Indice de consistencia n = Indice Ley de Potencia
VALOR N
Indice de Ley de la Potencia
Indica la habilidad de un fluido para comportarse shear thinning.
A medida que “n” disminuye, el fluido se convierte mas shear thinning
VALOR DE N PARA DRILL PIPE
3.32 log (R600/R300)np =
VALOR DE N PARA EL ANULAR
na = .657 log (R100/R3)
QUE CAUSA UN INCREMENTO EN N
Remoción de solidos reactivos
Adición de diluyentes químicos
(i.e., cualquiera que reduzca el Yield Point)
QUE CAUSA LA DISMINUCION DEL N
Adición de reactivos solidos
Contaminación química
(I.e., cualquier cosa que incremente el Yield Point)
VALOR K
Índice de consistencia
Indica la viscosidad del sistema a bajos esfuerzos.
Influenciado por los viscosificantes y los sólidos en concentración.
VALOR DE K PARA EL DRILL PIPE
5.11 R300
511Kp = np
VALOR DE K PARA EL ANULAR
Ka 5.11 R3
5.11na
=
QUE CAUSA EL INCREMENTO DE LA K
Adición de tanto sólidos reactivo como sólidos no reactivos.
Contaminación química
(i.e., cualquier cosa que resulte en un incremento de la viscosidad)
QUE CAUSA LA DISMINUCION DE LA K
Remoción de los sólidos reactivos y no reactivos
Adición de químicos defloculantes
(i.e., cualquier cosa que resulte en una reducción de la viscosidad)
MODELOS REOLOGICOS
0
20
40
60
80
0 100 200 300 400 500 600
Bingham Plastic
Typical Drlg. Fluid
Power Law
Newtonian
Lecturas del dial del viscosimetro
RPM
REGIMENES DE FLUJO
DETERMINACION DEL REGIMEN DE FLUJO
Número de Reynold
Geometría del pozo
Propiedades del fluido
NUMERO DE REYNOLD
Función de:
Peso de lodo
Geometría del pozo
Rata de flujo
Viscosidad del fluido
D = Diametro Hidraulico, inV = Velocidad, ft/sec
MW = Peso lodo, lb/galm = Viscosidad, cp
RN =928 DV (MW)
m
ETAPA 1: NO FLUJO
AnularD
rill
Str
ing Formacion
ETAPA 2: FLUJO TAPON
AnularD
rill
Str
ing
Formacion
ETAPA 3: TRANSICION (TAPON A LAMINAR)
AnularD
rill
Str
ing Formacion
ETAPA 4: FLUJO LAMINAR (STREAMLINE)
AnularD
rill
Str
ing Formacion
ETAPA 5: TRANSITION (LAMINAR O TURBULENTO)
AnnulusD
rill
Str
ing Formation
ETAPA 6: FLUJO TURBULENTO
Dri
ll S
trin
g
Formacion
Anular
Desarrollo completo de corrientes de Eddy
NUMERO DE REYNOLD
< 2100 Laminar2100 - 4100 Transicional > 4100 Turbulento
Normalmente se asume flujo turbulento cuando el Numero de
Reynolds > 2100
TIPOS DE FLUJO
WaterDye Laminar Flow
WaterDye Turbulent Flow
CIRCULATING SYSTEM SHEAR RATES
Shear Rates in the Circulating System
Section Shear Rate s-1 Pressure Drop Equivalent
of Section Rheometer rpmDrill String 170 -10,000 20 - 45 100 and aboveBit 10,000 -100,000 40 - 75 NoneAnnulus 5 - 170 2 - 5 3 - 100Pits 0 - 3 n/a 0 - 3SCE* 170 - 1000 n/a 100 - 600
*Solids Control Equipment
This demonstrates the importance of low end rheologies in cleaning the annulus.
ANNULAR GEOMETRY
Surface Ca gsin
Intermediate Ca gsin
Liner
Open Hole
Drill Pipe
Drill Collars
Surface
Drill Bit
Annular Geometry
D P Ca g. .& sin
D P Liner. .&
D P Open Hole. .&
DrillCollars O Hole& .
Mud Prop
Geometries
Flow Rate
Calculate
K
value
Calculate
Bulk
Velocity
Calculate
Effective
Viscosity
Calculate
n
value
Calculate
Reynolds
Number
If Rnum 2100 If Rnum 2100Calculate
Laminar
Fric Factor
Calculate
Turbulent
Fric Factor
Calculate
Interval
P
Save
Interval
P
Calculate P for next interval until last interval calculated
After P Calculated for all intervalsTotal
Interval
Ps
Annular:
Calculate
ECD
End
SEQUENCE OF PIPE AND ANNULAR CALCULATIONS