Propiedades Reológicas de los Propiedades Reológicas de los Fluidos de PerforaciónFluidos de Perforación

Ciencia que estudia la deformación y del flujo de la Materia.

Es posible determinar el comportamiento de un fluido bajo diversas condiciones, incluyendo la Temperatura, Presión y la Velocidad de Corte.

Reología

Viscosidad

Resistencia de un Fluido al movimiento.

Viscosidad, es el término reológico mas conocido.

Términos para describir las propiedades reológicas del Fluido de Perforación:

• Viscosidad de Embudo.- seg/qt ó seg/Lt• Viscosidad Aparente.- Centipoises (cP) ó mPa*seg.• Viscosidad Efectiva.- Centipoises ó mPa*seg.• Viscosidad Plástica.- lb/100ft2 ó Pa.• Viscosidad a baja velocidad de corte.- cP ó mPa*seg• Esfuerzos de Gel .- lb/100ft2 ó Pa.

• 100 centipoise (cp) = 1 poise

• Centipoise es la dimensión usada para expresar:

• Viscosidad plástica• Viscosidad aparente• Viscosidad efectiva

Las dimensiones de lbs/100 pies cuadrados son usadas para expresar:

• Punto cedente

• Gel inicial (10 segundos)

• Gel a 10 minutos (10 minutos)

Viscosidad de Embudo

VISCOSIDAD DE EMBUDOMedida con el embudo Marsh

Tiempo: 38 segundosVolumen: ¼ de galón

VISCOSIDADMedida con el Viscosímetro Fann

Lectura a 600 RPM: 32Lectura a 300 RPM 20Viscosidad Plástica 12 cp.Punto Cedente 8 lbs/100 pie2

Esfuerzo de corte, Velocidad de corte

Esfuerzo de Corte

Velocidad de CorteViscosidad =

Otra forma de describir a la Viscosidad es la relación entre el Esfuerzo de Corte y Velocidad de Corte

Viscosidad

FuerzaVelocidad

oIndicación del Cuadrante

RPM

Esfuerzo de Corte

• Fuerza interna que resiste al flujo

• Reportado como indicación del cuadrante en un viscosímetro VG

• Pérdida de presión del sistema

Velocidad de Corte

• La velocidad (media o calculada) de propagación del fluido en el medio

• La velocidad es indicada por RPM en un viscosímetro VG

• La velocidad anular en el sistema de circulación es un ejemplo de la velocidad de propagación en el medio

Velocidad de Corte

Co

lum

na

de

Per

fora

ció

n

Formación

EspacioEspacio AnularAnular

Viscosidad Efectiva

300 x Indicación del Cuadrante

RPM

VE =

VE = Viscosidad Efectiva, centipoise

Factores Afectados por la Reología del Fluido

• Limpieza del pozo

• Suspensión de sólidos

• Estabilidad del pozo

• Control de sólidos

• Densidades equivalentes de circulación

• Presiones de surgencia / pistoneo

Manguito Balancín

AgujaAguja IndicadoraIndicadora

Viscosímetro de Cilindro Concéntrico

Para viscosímetros de campo petrolífero:600 RPM = 1022 seg. -1300 RPM = 511 seg. -1

1 Unidad del Cuadrante (Lectura)= 1.067 lb/100 pies cuadrados

Perfil Transversal de un Viscosímetro

Manguito

ResorteCuadrante

Diferentes nombres para el Viscosímetro Concéntrico

• Viscosímetro

• Reómetro

• Viscosímetro VG

Viscosidad Plástica

Definición

• Resistencia al flujo debido a la fricción mecánica.

Afectada por:• Concentración de sólidos• Tamaño y forma de los sólidos• Viscosidad de la fase fluida

Viscosidad Plástica

Cómo calcular la Viscosidad Plástica (VP):

• VP = θ600 - θ300

Ejemplo:• VP = 40 - 25 = 15

Viscosidad Plástica

Viscosidad Plástica Aumentada por:

Sólidos Perforados Hidratables– Arcillas, lutitas.

Sólidos Perforados Inertes– Arena, caliza, etc.

Materia Coloidal– Almidón, CMC.

Viscosidad Plástica Aumentada por:

• Material densificante para aumentar la densidad

• Descomposición de las partículas, lo cual aumenta el área superficial y resulta en mayor fricción

Área Superficial vs. Tamaño de las Partículas

Cubo de 6 pulgadas

Cubo de 1 pulgadaCubo de 1 pie

VOLUMEN1 pie cub. = 1728 pulg3

8 cubos de 6 pulg. = 1728 pulg3

1728 cubos de 1 pulg.= 1728 pulg3

ÁREA SUPERFICIAL1 pie3 = 864 pulg2

8 cubos de 6 pulg. = 1728 pulg2

1728 cubos de 1 pulg.= 10,368 pulg2

10,368 - 864 = aumentode 9504 pulg2

Efecto del Tamaño de las Partículas sobre la Viscosidad

10 11 12 13 14 15

Peso del Lodo, lbs/gal

Viscosidad Aparente, cP

40

80

120

160

200

Barita Regular

0-3 Barita

VP, PC vs. Peso del Lodo, lbs/gal

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21Peso del Lodo, lbs/gal

Vis

cosi

dad

Plá

stic

a, P

un

to C

eden

te y

I

VP máx. recomendada

PC máx. recomendado

MBT máx. recomendada

VP, PC vs. Peso del Lodo, lbs/gal

Viscosidad Plástica Reducida por:

Eliminación de Sólidos

• Zaranda

• Desarenadores, desarcilladores y centrífugas

• La reducción del esfuerzo de gel permite la sedimentación de partículas más grandes

• Dilución de sólidos con agua

Impacto de la concentración de Sólidos en la Viscosidad del Fluido.

No Hay Otra Opción – Se debe añadir agua porque el

producto químico no es eficaz

Añadirmás

ProductoQuímico

AñadirproductoQuímico

Sólidos de Baja Gravedad Específica

Vis

cosi

dad

Punto Cedente

Definición:

• Resistencia al flujo causada por la dispersión o la atracción eléctrica entre los sólidos.

Afectado por:

• Tipo de sólidos y cargas asociadas.

• Concentración de estos sólidos.

• Sales disueltas.

Punto Cedente

El Punto Cedente se incrementa debido a:

• Arcillas y lutitas perforadas hidratables que aumentan el contenido de sólidos reactivos.

• Concentración insuficiente de desfloculantes.

• Sobre tratamiento con Carbonato de Sodio o Bicarbonato de Sodio.

• Adición de sólidos inertes (como la barita) .

El Punto Cedente se incrementa debido a:

• Contaminantes.– Sal, cemento, anhidrita, gases ácidos, etc.

Neutralizan las cargas de las partículas de arcilla, causando la floculación

• La fracturación de partículas de arcillahace que fuerzas residuales permanezcan en los bordes de las partículas, resultando en la floculación.

El Punto Cedente se incrementa debido a:

• Desfloculación de las arcillas.

• Eliminación del ion contaminante.

El Punto Cedente es controlado por:

• La floculación es un problema de química y debe ser tratado con un producto químico.

• La adición de agua minimizará la floculación, pero no soluciona el problema.

• Grandes adiciones de agua también reducen el peso del lodo. Esto puede requerir grandes adiciones de material densificante, lo cual podría ser muy costoso.

El Punto Cedente es reducido por:

Interpretación de los Valores de VG

¿Qué significa cuando se aumenta el PC y la VP apenas cambia?ØSe trata de un problema químico que se puede

reducir sólo con la adición de un desfloculante.

¿Qué significa cuando se aumenta la VP y el PC apenas cambia?Ø Indica un problema de alta concentración de sólidos

que se puede reducir bien con dilución o con el uso apropiado del equipo para control de sólidos

¿Qué indican generalmente los Grandes Aumentos Simultáneos de la VP y del PC?ØUn aumento en el contenido de arcillas reactivas en

el lodo

¿Cómo debería tratarse esta situación?ØCon el uso de desfloculanes y dilución simultánea

Interpretación de los Valores de VG

Esfuerzo de Gel

• Los Esfuerzos de Gel reducen la velocidad de sedimentación de los recortes cuando se interrumpe la circulación

• La estructura de gel se desarrolla cuando el lodo está estático

• El esfuerzo de gel depende del tiempo, de la temperatura, y de la concentración y resistencia de las partículas en atracción.

Esfuerzo de Gel

Tiempo

PROGRESIVOS

FRÁGILES

Geles

Problemas Atribuidos a Viscosidad y Esfuerzos de Gel Altos

• Mayor presión de bombeo para romper la circulación

• Pérdida de circulación causada por aumentos bruscos de la presión

• Pistoneo de la lutita y de los fluidos de la formación dentro del pozo

• Arena abrasiva transportada en el lodo

Velocidad de Corte0 100 200 300 400 500 600

AB

CAumento rápido de la velocidad de corte

Disminución rápida de la velocidad de corte

CURVA DE EQUILIBRIOAumento lento de la velocidad de corte

Esfuerzo de Corte

Tipos de fluidos

Newtonianos

No Newtonianos

Fluidos NewtonianosEl fluido es Newtoniano si la indicación del cuadrante (IC) a 600 RPM es el doble de la indicación del cuadrante a 300 RPM

El Punto Cedente es 0

θ 600 = 80

θ 300 = 40VP = 40PC = 0

VELOCIDAD DE CORTE

ES

FUE

RZO

DE

CO

RTE

Fluidos Newtonianos

Fluidos No Newtonianos

• La viscosidad depende de la velocidad de corte

• Disminuyen su viscosidad con el esfuerzo de corte

• En un flujo laminar, los fluidos No Newtonianos son menos viscosos a altas velocidades de corte que a bajas velocidades de corte

Si la indicación del cuadrante (θ) a 600 RPM es menos del doble de la indicación del cuadrante a 300 RPM, se trata de un fluido que disminuye su viscosidad con el esfuerzo de corte, o de un fluido No Newtoniano

NO NEWTONIANOθ 600 = 68θ 300 = 40

Fluidos No Newtonianos

Fluidos No Newtonianos

VELOCIDAD DE CORTE

ES

FUE

RZO

DE

CO

RTE

Modelos Reológicos

0

20

40

60

80

0 100 200 300 400 500 600

Modelo de Flujo Plástico de Bingham

Fluido de Perforación Típico

Ley Exponencial

Newtoniano

Indicaciones del Cuadrante del Viscosímetro VG

RPM

Flujo Plástico de Bingham

Ley Exponencial

Modelos Reológicos

Ecuación de Flujo Plástico de Bingham

F = PC + VP

VP = Viscosidad PlásticaPC = Punto CedenteR = Velocidad Rotacional en RPMF = Indicación del Cuadrante a la

Velocidad R

R300

Modelo de Flujo - Plástico de Bingham

R P M

IND

ICA

CIÓ

N D

EL

CU

AD

RA

NTE

D

EL

VIS

CO

SÍM

ETR

O F

AN

N

300 600

40

25

10

0

θ600 = 40

θ300 = 25VP = 15PC = 10

Ecuación de Ley Exponencial

F = K (RPM)n

F = Esfuerzo de Corte, unidades del cuadrante

RPM = Velocidad de Corte, velocidad rotacional

K = Índice de Consistencian = Índice de Ley Exponencial

Modelo de Ley Exponencial

VELOCIDAD DE CORTE

ES

FUE

RZO

DE

CO

RTE

n = 1

n = 0,

5n = 0,

25

k

Valor n• Índice de ley exponencial

• Indica la capacidad de un fluido para disminuir su viscosidad con el esfuerzo de corte

• A medida que “n” disminuye, el fluido disminuye cada vez más su viscosidad con el esfuerzo de corte

Valor n para la Tubería de Perforación

3,32 log (θ600/ θ300)np =

Valor n para el Espacio Anular

na = 0,657 log (θ100/ θ3)

Qué Causa el Aumento de n

• Eliminación de sólidos reactivos

• Adición de diluyentes químicos

Qué Causa la Disminución de n

• Adición de sólidos reactivos

• Contaminación química

Valor K

• Índice de Consistencia

• Indica la viscosidad de un sistema a una baja velocidad de corte (un segundo recíproco)

• Afectado por la concentración de viscosificador y sólidos

Valor K para la Tubería de Perforación

θ300

511Kp = nnpp

Valor K para el Espacio Anular

Kaθ3

5,11nnaa=

Qué Causa el Aumento de K

• Adición de sólidos reactivos y no reactivos

• Contaminación química

Qué Causa la Disminución de K

• Eliminación de sólidos reactivos y no reactivos

• Adición de desfloculantes químicos

REGíMENES DE FLUJO REOLÓGICOS

Determinación del Régimen de Flujo

• Número de Reynolds

• Geometría del pozo

• Propiedades del fluido

Número de Reynolds

Depende de:

• Densidad del Fluido• Geometría del pozo

• Gasto de Bomba, Caudal

• Viscosidad del fluido

928 DV (MW)RN =

m928 = ConstanteD = Diámetro hidráulico, pulg.V = Velocidad, pies/seg.MW = Densidad del Fluido, lbs/galm = Viscosidad, cp

Número de Reynolds

Etapa 1: Ningún Flujo

Espacio AnularC

olu

mn

ad

e P

erfo

raci

ón

Formación

Etapa 2: Flujo Tapón

Espacio Anular

Co

lum

na

de

Per

fora

ció

nFormación

Espacio Anular

Co

lum

na

de

Per

fora

ció

n

Formación

Etapa 3: Transición(Tapón a Laminar)

Espacio Anular

Co

lum

na

de

Per

fora

ció

n

Formación

Etapa 4: Flujo Laminar (Ordenado)

Etapa 5: Transición(Laminar a Turbulento).

Espacio Anular

Co

lum

na

de

Per

fora

ció

n

Formación

Etapa 6: Flujo Turbulento

Corrientes turbulentas totalmente desarrolladasEspacio Anular

Co

lum

na

de

Per

fora

ció

n

Formación

Número de Reynolds

< 2100 Laminar2100 - 4100 Transicional

> 4100 Turbulento

Normalmente se puede suponer un flujo turbulento cuando el Número de

Reynolds > 2100

Tipo de Flujo

AguaColorante

Flujo Laminar

AguaColorante

Flujo Turbulento

El Sistema de Circulación Funciona a Diferentes Velocidades de Corte

Tanques Menos de 5 seg-1

Espacio Anular 10 – 500 seg-1, siendo el valor típico 100 seg-1

Tubería de Perforación 100 – 500 seg-1

Drill Collar 700 – 3,000 seg-1

Barrena +10,000 seg-1

Geometría Anular

}}}

}

Geometría Anular

Revestimiento de Superficie TP y TR

Tubería de Perforación

Tubería de Revestimiento Intermedia

Pozo Abierto

Tubería de Revestimiento Corta

Drill Collar

Barrena

TP y Pozo Abierto

DC y Pozo Abierto

TP y Liner

Superficie

Prop. Lodo

Geometrías

Caudal

Calcular

el valor

K

Calcular la Velocidad de Propagación en el Medio

Calcular la Viscosidad

Efectiva

Calcular

el valor

n

Calcular el Número de Reynolds

Si Rnum ≤ 2100 Si Rnum> 2100

Calcular el Factor de Fricción Laminar

Calcular el Factor de Fricción

Turbulento

Calcular ?P del

Intervalo

Guardar ?P del

Intervalo

Calcular ?P para el siguiente intervalo hasta que se calcule el último intervalo

Después de Calcular ?P para todos los intervalos

?Ps Intervalo

Total

Anular: Calcular la ECD

F

i

n

Secuencia de Cálculospara la Tubería y el Espacio Anular