REOLOGIA Y TIXOTROPIA

Laboratorio Fluidos de Perforación

Reología : es la ciencia que se encarga del estudio de la deformación y del flujo de los materiales. Provee un medio de evaluar las propiedades de flujo de un fluido de perforación, determinando la efectividad con que lleva a cabo las funciones que debe cumplir.

La reología se estudia en los fluidos de perforación porque esta asociada y permite determinar y controlar :

• Capacidad de limpieza del agujero• Propiedades de Suspensión Caídas de presión en el sistema de circulacion• Presiones de surgencia• Tratamientos del Fluido

Hidráulicade Perforación

Debe también ser entendido, que tanto la hidráulica como la reología de los fluidos de perforación no son ciencias exactas, pero se basan en Modelos Matemáticos que las describen cercanamente.

Los fluidos de perforación no se adecuan exactamente a ninguno de estos modelos, por tal razón existen diferentes métodos o modelos válidos para calcular parámetros reológicos e hidráulicos.

Comprender como la reología de un lodo (la ciencia) se acopla con la hidráulica del lodo (la ingeniería), para hacer las operaciones de perforación más eficientes y libre de problemas, es de vital importancia para el Ingeniero de lodo.

Cuando se está perforando un pozo y se hace mención a la Reología, inmediatamente se relaciona con un término asociado como lo es la Viscosidad. Este término acarrea varias connotaciones como lo son:

• Viscosidad de Embudo (seg./qt)• Viscosidad Aparente (cP)• Viscosidad Efectiva (cP)• Viscosidad Plástica (cP)• Punto Cedente (lb./100 ft2)• Esfuerzos de Geles

Exceptuando a la viscosidad de embudo, todos estos términos están conectados entre si a través de una relación de dos conceptos que se aplican al flujo de los fluidos: Esfuerzo de Corte y Velocidad de Corte

Esfuerzo de CorteLa deformación de un fluido puede ser descrita sencillamente por dos láminas paralelas separadas por alguna distancia.Una fuerza, F, actuando sobre un área, A, causa que las laminas se deslicen una sobre la otra. Sin embargo, existe una resistencia ó arrastre friccionar, que se opone al movimiento de estas laminas. Dicha resistencia ó arrastre friccionar se denomina el “esfuerzo de corte”, τ .

AF

τ

Esfuerzo de Corte (Shear Stress) (τ ) Es una resistencia ó fuerza de arrastre por fricción que se opone al movimiento entre capas de fluidos.τ = lectura del viscosímetro x 1,0678Las lecturas del viscosímetro son usadas como indicación del esfuerzo de corte, τ, sin realizar conversión, ya que la diferencia es pequeña.

Velocidad de Corte (Shear Rate) (γ) : la diferencia de las velocidades entre las dos capas de fluido dividida por la distancia que las separa.

La velocidad de corte, se calcula multiplicando a la velocidad rotacional del viscosímetro por el factor 1,702. Dicho factor viene dado por las características de fabricación del viscosímetro.

Tipos de Fluidos

La relación entre esfuerzo de corte, τ, y tasa de corte, γ, define el comportamiento de un fluido. De tal forma que los fluidos se pueden clasificar en dos tipos diferentes:

Newtoniano : Relación lineal entre el esfuerzo de corte (shear stress) y la tasa de corte (shear rate) aplicada. Se ilustra como una línea recta que pasa por el origen (0, 0). La viscosidad es el único parámetro necesario para definir su comportamiento. Ejemplos : Agua, Alcohol, Aceites (diesel, mineral y sintético), muy pocos fluidos de perforación.

No-Newtoniano : No exhiben relación lineal entre el esfuerzo de corte (shear stress) y la tasa de corte (shear rate) aplicada. Requieren de un determinado esfuerzo de corte para iniciar flujo La viscosidad del fluido depende de la tasa de corte. Ejemplo : fluidos de perforación

Viscosidad, µ, (Viscosity) : Resistencia interna a fluir. Se calcula dividiendo el esfuerzo de corte, τ, por la velocidad de corte, γ.

µ = τ / γLa unidad de medida para la viscosidad es el poise, definido como la fuerza en dinas por centímetro cuadrado, requerido para producir una diferencia de velocidad de un centímetro por segundo, entre dos capas separadas por un centímetro. Un centipoise es la centésima parte de un poise.

Lámina en Movimiento, velocidad = 1.0 cm./seg.

Lámina fijo, velocidad = 0 cm./seg.

Perfil deVelocidad 1 cm.

Fuerza

Viscosidad Efectiva, µe.Para fluidos Newtonianos está definida por la relación entre esfuerzo de corte y tasa de corte. Como se mencionó anteriormente, esta relación es linear, es decir, si la tasa de corte es doblada, entonces el esfuerzo también será doblado.La viscosidad efectiva de un fluido newtoniano se ilustra como una línea recta que pasa a través del origen (0, 0), siendo la pendiente de la línea la viscosidad, µ.

Tasa de Corte

Esfuerzo de corte

τ

γ

τγ

Viscosidades Absolutaµ = =

Tasa de CorteTasa de Corte

Esfuerzo de corte

τ

γ

τγ

Viscosidades Absolutaµ = =

Viscosidad Efectiva, µe.En fluidos No Newtonianos, no ocurre así, de tal forma que la definición de viscosidad efectiva es mas compleja, puesto que varía con el esfuerzo de corte aplicado, no permaneciendo constante. La viscosidad efectiva (µe), para fluidos no newtonianos, se define como la viscosidad de un fluido newtoniano que exhibe el mismo esfuerzo cortante, a la misma tasa de corte. Para la mayoría de los fluidos de perforación, la VE será relativamente alta a bajas tasas de corte y relativamente bajas a altas tasas de corte. En otras palabras, la VE disminuye, conforme se incrementa la tasa de corte. Cuando un fluido se comporta de esta manera se dice que posee “Adelgazamiento por Corte”. Los fluidos no newtonianos se diferencian de los newtonianos porque requieren de un determinado esfuerzo para iniciar flujo.

Tasa de Corte

Esfuerzo de corte

τ

γ

τγViscosidad Efectiva

µ =

=

Esfuerzo de Cedencia τViscosidad Plástica

Tasa de Corte

Esfuerzo de corte

τ

γ

τγViscosidad Efectiva

µ =

=

Esfuerzo de Cedencia τViscosidad Plástica

Modelos Reológicos

Un Modelo Matemático de Fluido describe el comportamiento de flujo de un fluido expresando una relación matemática entre la Velocidad ó Tasa de Corte y el Esfuerzo de Corte.Para fluidos Newtonianos esta relación ya se ha discutido anteriormente y viene dada por una relación constante entre el esfuerzo de corte (τ) y la velocidad de corte (γ). µ = τ / γ.Para explicar el comportamiento de los fluidos No Newtonianos, todavía no ha sido encontrada una relación generalizada. Los Modelos propuestos son aproximaciones. Modelo Plástico de Binghan, de Ley Potencias(Power Law) y de ley potencias Modificada (Herschel - Bulkley).

# FLUIDO1 Fluido Ideal sin

Viscosidad

2 Sólido Ideal3 Newtoniano4 Dilatante5 Pseudoplástico6 Plástico de

Bingham Ideal

7 Pseudoplástico con Punto de

Cedencia 8 Plástico de Bingham

Real

El Viscosímetro

Antes de entrar en los detalles de la determinación y estudio de la Viscosidad Plástica y el Punto Cedente, es conveniente analizar brevemente un instrumento comúnmente utilizado en la industria de los fluidos de perforación, el Viscosímetro de Lectura Directa.El viscosímetro de lectura directa, fue específicamente diseñado para facilitar el uso del Modelo Plástico de Binghan, en fluidos de perforación. Los elementos esenciales del viscosímetro, consisten de un cilindro exterior que rota concéntricamente alrededor de un cilindro interior, la cual esta suspendida de un resorte de torsión. Este resorte provee una lectura en el dial, proporcional al torque y análoga al esfuerzo de corte. La velocidad de rotación es análoga a la tasa de corte. Las relaciones de diseño entre estos componentes hicieron posible que la determinación de la viscosidad plástica y el punto cedente se facilitara tanto, a un punto tal, que las hicieron dos de las propiedades más reconocidas y arraigadas en la tecnología de los fluidos de perforación.

Viscosidad Plástica, µp

En base a lo discutido acerca de la viscosidad efectiva de los fluidos no newtonianos, podemos definir a la Viscosidad Plástica como: la medida de la resistencia interna de un fluido a fluir, debido a la cantidad, tipo y tamaño de los sólidos que forman parte de su composición.

La viscosidad plástica, VP, medida en el viscosímetro de lectura directa y expresada en centipoises ó mPa/seg., es calculada como sigue:

PV (cP) = θ600 – θ300

Factores que influencian la Viscosidad Plástica:

1. Tipo de fase liquida del lodo: Lodos en base agua:

Sales y químicas disueltas, incrementan la VP Polímeros de alto peso molecular, incrementan la VP Altas temperaturas de fondo, disminuye la viscosidad del agua y la VP

Lodos en base aceite: Tipo de aceite base. Un aceite base viscoso contribuye a una alta VP. Polímeros y otros aditivos disueltos incrementan la VP La temperatura disminuye la viscosidad de los aceites, por lo tanto

disminuye la VP La presión incrementa la viscosidad de los aceite, incrementando la VP

Factores que influencian la Viscosidad Plástica (continuación):2. Concentración de sólidos y gotas suspendidas en el lodo:

Lodos en base aceite y agua Barita, carbonato de calcio, sólidos de perforación, gilsonita,

lignito, asfalto, cal, incrementan la VP Gotas emulsionadas incrementan la VP

3. Tamaño y Forma de los sólidos ó gotas en el lodo: Lodos en base aceite y agua

Sólidos muy pequeños con grandes áreas superficiales expuestas incrementaran la VP.

Sólidos con superficies planas incrementan mayormente la VP que las esféricas.

PUNTO CEDENTE

Se define como la resistencia al flujo debido al grado de atracción entre las partículas sólidas en el fluido, bajo condiciones dinámicas.Se determina mediante las mediciones del viscosímetro de lectura directa de la siguiente manera:PC (lb./100 pies2) = θ 300 RPM – VISCOSIDAD PLASTICA– Es una medida de floculación– Es indicativo de la habilidad de limpieza del fluido, cuando está en movimiento

Un incremento en la viscosidad ocasionada por un alto punto cedente puede ser por:• Contaminantes: sales, cemento, sólidos, carbonatos → floculación• Fraccionamiento de las arcillas → incrementa cargas positivas – floculación por incremento atracción borde-cara y borde-borde• Sólidos Inertes → Barita, CaCO3 – promueven acercamiento y contacto entre sólidos• Sólidos Activos → Arcillas perforación y comerciales – incremento de cargas y sólidos• Polímeros → forman una red entre si y con las arcillas para formar floculos

PUNTO CEDENTE

La disminución del punto cedente puede ser alcanzada mediante la adición de desfloculantes – orgánicos o poliméricos – que neutralizarían las cargas eléctricas en las partículas de arcillas.

TIXOTROPIA

La tixotropía es una característica de los fluidos de perforación, especialmente los base agua de arcilla y polímero, la cual es medida mediante los esfuerzos de geles, con el viscosímetro de lectura directa, a 10 seg., 10min., 30 min., a una tasa de corte de 3 rpm y a temperatura constante.Por lo tanto, se puede definir como el cambio isotérmico reversible en viscosidad con el tiempo, a una tasa de corte constante.La importancia de su estudio y control en los fluidos de perforación radica en el papel que tiene en la suspensión del material densificante y recortes de perforación, así como en la presión de circulación inicial, luego de una parada y presiones de suabeo y surgencia durante los viajes.

TIXOTROPIA

La viscosidad de un fluido tixotropico depende del tiempo de agitación, tanto como de la tasa de corte, debido a que la componente estructural cambia con el tiempo, de acuerdo con la historia pasada de corte del fluido. Por esta razón se dice que los fluidos tixotropicos son “fluidos con memoria”. Los fluidos plásticos de perforación pueden ser o no tixotropicos, dependiendo de su composición. Lo opuesto a la tixotropía es la reopectia. La viscosidad de un fluido reopectico aumenta con el tiempo a una tasa constante. No se ha registrado casos de reopectia en fluidos de perforación.

Esfuerzos de Geles(Gel Strength)

Son medidas realizadas con el viscosímetro de lectura directa y describen el comportamiento de flujo de un fluido de perforación dependiente del tiempo. Los valores de esfuerzo de geles son registrados a los 10 segundos (gel inicial) y a los 10 minutos (gel final). Una medición adicional de los esfuerzos de geles puede ser realizada a los 30 minutos. Los esfuerzos de geles indican las propiedades tixotrópicas de un fluido de perforación y son las medidas de las fuerzas atractivas bajo condiciones estáticas, en relación al tiempo, al contrario de la viscosidad plástica y el punto cedente, que son bajo condiciones dinámicas. Sin embargo los esfuerzos de geles y el punto cedente, algunas veces pueden estar relacionados, en el sentido de que los valores de esfuerzos de geles disminuirán, conforme disminuye el punto cedente.

Esfuerzo de GelesLos esfuerzos de geles pueden ser Frágiles o Progresivos.Un gel progresivo se incrementan sustancialmente con el tiempo, requiriendo de una alta presión para reiniciar el flujo o romper circulación, luego de una parada, mientras que, un gel frágil se incrementa ligeramente con el tiempo, pero puede ser más alto, inicialmente, que un gel progresivo

Tiempo

Frágil o plano

ProgresivoEs

fuer

zode

Gel

Tiempo

Frágil o plano

ProgresivoEs

fuer

zode

Gel

Esfuerzo de Geles

Los esfuerzos de geles, en un fluido de perforación son dependientes de: Tratamiento Químico → gel inicial suficiente alto – evitar geles progresivos Concentración de sólidos → incrementa valores de geles – tipo de sólidos Tiempo → los geles se incrementan con el tiempo Temperatura → incrementa geles – tratamiento químicoUn lodo densificado debe poseer suficientes esfuerzos de geles para evitar el asentamiento de la barita y recortes de la formacion perforada.